Ein Gummiblock, der bis zehn zählen und sich sogar die Reihenfolge merken kann, in der er gedrückt wurde – die Physiker Martin van Hecke und Lennard Kwakernaak (Universität Leiden und AMOLF Amsterdam) haben in der Zeitschrift über dieses neueste Metamaterial veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
„Ich mag es, Komplexität in einfachen Dingen zu finden.“ Mit einem breiten Lächeln Ph.D. Kandidat Kwakernaak betritt den Raum, das Prunkstück in seinen Händen: ein Stück Weichgummi mit 22 Balken in Paaren. „Das ist unser Strahlzähler. Drücken Sie ihn“, sagt er.
Das Ergebnis ist unerwartet. Die Stäbe sind alle nach links gebogen, mit Ausnahme des ersten, der nach rechts gebogen ist. „Dieser erste Balken schiebt dann das nächste Paar nach rechts und dieses bewegt sich jedes Mal um eine Position weiter, wenn Sie das Material schieben. So zählt das Material bis zehn.“
Material mit Erinnerung
Der Gummiblock ist ein Beispiel für ein mechanisches Metamaterial: ein Material, dessen Eigenschaften nicht nur durch seine Zusammensetzung, sondern auch durch seine Struktur bestimmt werden. Van Heckes Gruppe untersucht, wie mit einfachen Materialien Informationen verarbeitet werden können, ähnlich wie mit einem Computer.
Ein Balken, der von links nach rechts springt, kann mit einem Computerbit verglichen werden, das entweder Null oder Eins ist. „Es ist nicht einfach, die Struktur so zu gestalten, dass sie so reagiert, wie wir es wollen“, erklärt Kwakernaak. „Zählen ist die einfachste Berechnung, die wir uns vorstellen konnten, also war das ein logischer Ausgangspunkt.“
„Bei der Entwicklung eines solchen Materials versucht man, die Spielregeln zu entdecken“, sagt der Ph.D. Kandidat erklärt. „Was darf man tun? In diesem Fall geht es um den Kontakt einer Bar mit ihren direkten Nachbarn.“
Die Forscher gingen noch einen Schritt weiter als nur zu zählen, erklärt er. „Unterwegs habe ich herausgefunden, dass man im Gummi unterschiedliche Reaktionen hervorrufen kann, indem man mit unterschiedlicher Kraft drückt. Indem ich damit experimentierte, konnte ich ein Metamaterial herstellen, das nur dann bis zum Ende zählt, wenn man im Gummi drückt.“ richtige Reihenfolge, mit der richtigen Kraft. Mit anderen Worten eine Art Schloss.
Einfache Lösungen für alle Arten von Problemen
Eine mögliche Anwendung ist die Zählung von Autos unterschiedlicher Gewichtsklassen, die über eine Brücke fahren. Oder zum Beispiel einen Schrittzähler, denn Sie können das Metamaterial so groß oder klein machen, wie Sie möchten. „Der große Vorteil besteht darin, dass solche mechanischen Metamaterialien günstig, robust und wartungsarm sind“, sagt Kwakernaak.
„Das macht sie für alle Arten von Anwendungen interessant. Es ist schwer, genau zu sagen, was das sein wird, aber wir finden immer einen Zweck für neue Materialien wie dieses. Frühere Forschungen zu einem Material, das sich wie Origami falten lässt, haben beispielsweise die Faltung von Solarenergie inspiriert.“ Panels auf einem Satelliten.
Kwakernaak selbst genießt es besonders zu sehen, wie scheinbar einfache Dinge sehr komplex sein können. „Wie sich ein so dünner Balken genau biegt, ist viel komplizierter als man denkt. Ein Computer kann das kaum simulieren.“ Er lacht: „Manchmal kommt es mir fast so vor, als wäre ich ein professioneller Bastler.“
Kwakernaaks nächster Schritt besteht darin, eine noch kompliziertere Struktur zu entwickeln, bei der die Interaktion zwischen Nachbarn nicht nur in einer Richtung, sondern in einer Ebene stattfindet. „Das wäre eigentlich ein einfacher Computer“, sagt er.
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Lennard J. Kwakernaak et al, Zählen und sequentielle Informationsverarbeitung in mechanischen Metamaterialien, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.268204