Ingenieurs van Princeton University hebben een nieuw soort materiaal ontwikkeld dat kan uitzetten, van vorm kan veranderen, bewegen en reageren op elektromagnetische signalen, zonder dat er motoren of tandwielen aan te pas komen. De uitvinding, die de naam “metabot” kreeg, werd op 23 april beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
De metabot is een zogenaamd metamateriaal: een materiaal waarvan de bijzondere eigenschappen voortkomen uit de fysieke structuur en niet uit de chemische samenstelling. Door gebruik te maken van eenvoudige kunststoffen en speciaal samengestelde magnetische materialen, slaagden de onderzoekers erin een structuur te creëren die op afstand kan worden aangestuurd met behulp van een magnetisch veld. Daardoor kan het materiaal uitvouwen, draaien, samentrekken en zich op verschillende manieren vervormen.
Voor het ontwerp lieten de onderzoekers zich inspireren door origami, de Japanse vouwkunst. Ze gebruikten een specifieke vouwstructuur, de zogenaamde Kresling-patronen, waarbij buisjes met ondersteunende ribben zo zijn gebouwd dat ze in elkaar klappen als ze worden gedraaid. Door twee spiegelbeeldige buisjes aan elkaar te verbinden, ontstond een cilinder die verschillend reageert afhankelijk van de draairichting van het magnetisch veld.
Opvallend is dat de metabot complex gedrag kan vertonen, zoals hysterese – een fenomeen waarbij het gedrag van een systeem niet alleen afhankelijk is van de huidige omstandigheden, maar ook van de voorgeschiedenis. Door het materiaal in verschillende volgordes te draaien, ontdekten de onderzoekers dat het niet altijd op dezelfde manier terugveert, wat mogelijkheden biedt om complexe natuurkundige en economische systemen te simuleren.
Het Princeton-team onderzoekt ook praktische toepassingen, zoals microscopisch kleine robotjes die medicijnen op een specifieke plek in het lichaam kunnen afleveren of chirurgen kunnen helpen bij hersteloperaties. In een ander experiment ontwikkelden de onderzoekers een thermoregulator: een oppervlak dat via vouwbewegingen kan schakelen tussen warmteabsorberend zwart en reflecterend zilver. Daarmee konden ze de temperatuur onder zonlicht variëren van 27°C tot 70°C.
Ook op het gebied van antennes, lenzen en apparaten die lichtgolven manipuleren, zien de onderzoekers mogelijkheden voor hun metamateriaal. Op langere termijn hopen ze zelfs fysieke structuren te bouwen die kunnen functioneren als logische schakelingen, vergelijkbaar met de werking van transistors in computers.
Aan het onderzoek werkten meerdere wetenschappers van Princeton mee, waaronder postdocs Tuo Zhao, Xiangxin Dang en Shixi Zang, promovendus Konstantinos Manos en hoogleraar Jyotirmoy Mandal. Externe experts zoals Xuanhe Zhao van MIT en Davide Bigoni van de Università di Trento prijzen het materiaal vanwege zijn veelzijdige en innovatieve eigenschappen.
Foto: Aaron Nathans/Princeton University
