Smiley als begin van een materiaalrevolutie

Doorgaans is het voorspelbaar wat er gebeurt als je in een zacht materiaal knijpt, zoals een rubberen bal die je boven en onder indrukt. Terwijl de boven- en de onderkant indeuken komen de zijkanten juist naar buiten. Met wat ingenieurswerk kun je ook iets maken dat aan de zijden juist indeukt als je er boven en onder in knijpt.

Wetenschappers van de Universiteit Leiden, het Amsterdamse AMOLF-instituut en de Universiteit van Tel Aviv hebben nu een flexibele kubus gefabriceerd die op een unieke manier reageert op een stevige kneep. Druk er aan de boven- en onderkant op en er verschijnt aan een van de zijden een lachende smiley. Sommige delen bewegen naar buiten, terwijl andere delen netjes op hun plek blijven.

Lollig, zo’n gezichtje, maar volgende de wetenschappers heeft deze wonderlijke kubus aardig wat toepassingen. Doordat het materiaal volledig ‘programmeerbaar’ is en zo op commando een specifieke vorm aan kan nemen, is het misschien wel de basis voor perfect aansluitende en beweegbare protheses of schoenzolen. Het wetenschappelijke tijdschrift Nature ziet de potentie ook en publiceerde het onderzoek deze week.

Samenspel van voxels

Het verschijnende patroon op de buitenkant van het rubberen materiaal is het gevolg van een samenspel van kubusvormige elementjes waaruit het is opgebouwd. Ieder van deze elementjes, ook wel voxels genoemd, reageert op een indrukking door andere zijdes die in- of uitdeuken. Daarbij beïnvloeden ze de aangrenzende voxels. De smiley-kubus bestaat uit tien bij tien bij tien van deze voxels, in totaal dus duizend elementjes.

De kunst is om ieder van deze elementjes in het materiaal zo te positioneren en oriënteren dat ze goed op elkaar aansluiten: de buurman van een uitdeukend kubusje moet zelf juist índeuken. Zou je de voxels willekeurig oriënteren dan komen er onvermijdelijk twee uitdeukende exemplaren naast elkaar en krijg je iets wat de wetenschappers een ‘gefrustreerde’ kubus noemen. Er ontstaan dan spanningen in het materiaal. “Het gedrag van de kubus wordt onvoorspelbaar en zo krijg je een vormloos en oncontroleerbaar materiaal”, zegt Martin van Hecke, professor Organisation of disordered matter van de Universiteit Leiden die bij het onderzoek betrokken was.

Die voorspelbaarheid van de vervorming, daar ging het de wetenschappers juist om. Ze creëerden een algoritme waarmee ze zo’n kubus kunnen doorrekenen en ontwerpen, zodat de voxels aan de buitenkant uiteindelijk precies naar wens uitdeuken. Bekleed je een zijde bijvoorbeeld helemaal met dezelfde elementjes dan krijg je een schaakbordpatroon: om en om deuken ze in en uit.

Maar de wetenschappers uit Amsterdam, Leiden en Tel Aviv wilden meer. Van Hecke zegt: “Als je een van die voxels omdraait dan verandert het patroon dat je ziet. Zo kun je gaan bouwen, mits alle voxels in de kubus netjes op elkaar passen. In het geval van de smiley betekent het dat er in de laag direct onder de smiley wéér een smiley zit, zij het ‘negatief’.”