“Mechanische Metamaterialien” – Vielseitige Bausteine ergeben Strukturen mit überraschenden mechanischen Eigenschaften.

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Die Untereinheiten könnten mit Hilfe von Robotern zusammengesetzt werden, um große, komplexe Objekte wie Autos, Roboter oder Rotorblätter von Windkraftanlagen herzustellen.

Forscher am Zentrum für Bits und Atome des MIT haben winzige Bausteine geschaffen, die eine Vielzahl einzigartiger mechanischer Eigenschaften aufweisen, wie z.B. die Fähigkeit, beim Zusammendrücken eine Drehbewegung zu erzeugen. Diese Untereinheiten könnten potenziell von winzigen Robotern zu einer nahezu unbegrenzten Vielfalt von Objekten mit eingebauter Funktionalität zusammengebaut werden, darunter Fahrzeuge, große Industrieteile oder spezialisierte Roboter, die wiederholt in verschiedenen Formen wieder zusammengesetzt werden können.

Die Forscher schufen vier verschiedene Typen dieser Untereinheiten, die als Voxels (eine 3D-Variante der Pixel eines 2D-Bildes) bezeichnet werden. Jeder Voxeltyp weist besondere Eigenschaften auf, die in typischen natürlichen Materialien nicht zu finden sind, und in Kombination können sie zur Herstellung von Geräten verwendet werden, die auf Umweltreize in vorhersehbarer Weise reagieren. Beispiele hierfür sind Flugzeugflügel oder Turbinenblätter, die auf Änderungen des Luftdrucks oder der Windgeschwindigkeit reagieren, indem sie ihre Gesamtform verändern.

Die Ergebnisse, die im Einzelnen die Schaffung einer Familie diskreter “mechanischer Metamaterialien” beschreiben, werden in einem am 18. November 2020 in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichten Artikel beschrieben, der von dem kürzlich am MIT promovierten Benjamin Jenett PhD ’20, Professor Neil Gershenfeld und vier weiteren Autoren verfasst wurde.

“Diese bemerkenswerte, fundamentale und schöne Synthese verspricht, die Kosten, Anpassbarkeit und Funktionseffizienz ultraleichter, materialsparender Strukturen zu revolutionieren”, sagt Amory Lovins, Adjunct Professor für Bau- und Umwelttechnik an der Stanford University und Gründer des Rocky Mountain Institute, der mit dieser Arbeit nicht in Verbindung gebracht wurde.

Metamaterialien haben ihren Namen erhalten, weil sich ihre Eigenschaften im großen Maßstab von den Eigenschaften ihrer Komponentenmaterialien im Mikrobereich unterscheiden. Sie werden in der Elektromagnetik und als “architektierte” Materialien verwendet, die auf der Ebene ihrer Mikrostruktur entworfen werden. “Aber es ist noch nicht viel getan worden, um makroskopische mechanische Eigenschaften als Metamaterial zu erzeugen”, sagt Gershenfeld.

Mit diesem Ansatz sollten Ingenieure in der Lage sein, Strukturen mit einem breiten Spektrum von Materialeigenschaften zu bauen – und sie alle mit den gleichen gemeinsamen Produktions- und Montageverfahren herzustellen, sagt Gershenfeld.

Die Voxel werden aus flachen Rahmenteilen aus spritzgegossenen Polymeren zusammengesetzt und dann zu dreidimensionalen Formen kombiniert, die sich zu größeren funktionalen Strukturen zusammenfügen lassen. Es handelt sich dabei meist um offene Räume, die im zusammengebauten Zustand ein extrem leichtes, aber steifes Gerüst bilden. Neben der starren Grundeinheit, die eine außergewöhnliche Kombination aus Festigkeit und geringem Gewicht bietet, gibt es drei weitere Varianten dieser Voxel, die jeweils eine andere ungewöhnliche Eigenschaft aufweisen.

Die “auxetischen” Voxel haben die seltsame Eigenschaft, dass sich ein Würfel des Materials, wenn er zusammengedrückt wird, anstatt sich an den Seiten auszubeulen, tatsächlich nach innen wölbt. Dies ist die erste Demonstration eines solchen Materials, das mit herkömmlichen und kostengünstigen Herstellungsmethoden hergestellt wurde.

Es gibt auch “nachgiebige” Voxel mit einer Poissonzahl von Null, was der auxetischen Eigenschaft etwas ähnlich ist, aber in diesem Fall ändern die Seiten beim Zusammendrücken des Materials überhaupt nicht ihre Form. Nur wenige bekannte Materialien weisen diese Eigenschaft auf, die nun durch diesen neuen Ansatz hergestellt werden kann.

Schließlich reagieren “chirale” Voxel auf axiale Kompression oder Dehnung mit einer Verdrehbewegung. Auch hier handelt es sich um eine ungewöhnliche Eigenschaft; Forschungsarbeiten, bei denen ein solches Material durch komplexe Herstellungstechniken hergestellt wurde, wurden im vergangenen Jahr als wichtige Erkenntnis gefeiert. Diese Arbeit macht diese Eigenschaft auf makroskopischer Ebene leicht zugänglich.

“Jede Art von Materialeigenschaft, die wir zeigen, war bisher ein eigenes Gebiet”, sagt Gershenfeld. “Die Leute würden Arbeiten über genau diese eine Eigenschaft schreiben. Dies ist das erste, was sie alle in einem einzigen System zeigt.”

Um das reale Potenzial großer Objekte zu demonstrieren, die auf LEGO-ähnliche Weise aus diesen in Serie gefertigten Voxels konstruiert wurden, produzierte das Team in Zusammenarbeit mit Ingenieuren von Toyota einen funktionsfähigen Super-Meilen-Rennwagen, den sie während einer internationalen Robotikkonferenz Anfang dieses Jahres auf einer Rennstrecke vorführten.

Sie waren in der Lage, die leichte Hochleistungsstruktur in nur einem Monat zu montieren, sagt Jenett, während der Bau einer vergleichbaren Struktur mit herkömmlichen Glasfaserbauweisen zuvor ein Jahr gedauert hatte.

Während des Rennens war die Strecke durch Regen glatt, und der Rennwagen krachte schließlich gegen eine Barriere. Zur Überraschung aller Beteiligten verformte sich die gitterartige Innenstruktur des Wagens und prallte dann zurück, wodurch der Aufprall mit geringem Schaden abgefedert wurde. Ein konventionell gebautes Auto, sagt Jenett, wäre wahrscheinlich stark verbeult worden, wenn es aus Metall gewesen wäre, oder zerbrochen, wenn es aus Verbundwerkstoff gewesen wäre.

Das Auto lieferte eine anschauliche Demonstration der Tatsache, dass aus diesen winzigen Teilen tatsächlich funktionelle Geräte in Menschengröße hergestellt werden können. Und, Ger

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