Ein Forscherteam der National University of Defense Technology, der Hong Kong Polytechnic University und des Karlsruher Instituts für Technologie hat eine Vielzahl von zahnradbasierten mechanischen Metamaterialien entwickelt, die die Herstellung konfigurierbarer Schichten ermöglichen. In ihrem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturmaterialienbeschreibt die Gruppe, wie sie ihre Blätter entwickelt hat und wie sie verwendet werden können.
Wie die Forscher feststellten, sind Bleche, die für Anwendungen wie Maschinenteile verwendet werden, tendenziell sowohl unflexibel als auch aufgrund von längerem Gebrauch und Vibrationen im Laufe der Zeit bruchanfällig. Sie sind im Allgemeinen auch schwierig neu zu konfigurieren, wenn dies erforderlich ist, insbesondere im laufenden Betrieb. In diesem neuen Versuch haben die Forscher eine neue Art von Folie entwickelt, die eine spontane Konfiguration ermöglicht und auch elastischer ist, wodurch sie den Belastungen kommerzieller Anwendungen standhält.
Die neue Idee des Teams sieht die Verwendung von ineinandergreifenden Zahnrädern vor, die in Form einer Matrix nebeneinander auf einer Platte befestigt werden. In einer solchen Konfiguration bewegen sich die Zahnräder gemeinsam. Und während sie dies tun, stellen die Forscher fest, ändert sich die Flexibilität der Folie von entweder mehr biegsam zu weniger biegsam oder umgekehrt.
Bei ihrer Arbeit verwendeten die Forscher sowohl Taiji- als auch Planetengetriebe. Erstere sind fast zweidimensional und haben eine einzigartige kurvige Mitte. Sie ermöglichten die Verwendung unterschiedlicher Ausrichtungen beim Erstellen eines Blattes. Planetengetriebe sind ebenfalls nahezu flach, haben aber mehrere Löcher in der Mitte. Ihre Verwendung ermöglichte eine Druckbelastung.
In ihrer Arbeit erstellten die Forscher eine Vielzahl von Blättern, um verschiedene Konfigurationen zu testen. In einigen verwendeten sie Zahnräder, die nicht alle die gleiche Größe hatten; in anderen versuchten sie, Zahnräder in Mustern wegzulassen, um zu sehen, welche Auswirkungen dies auf die Flexibilität der Platte haben könnte. Sie waren in der Lage, eine Vielzahl von Blättern mit unterschiedlichen Elastizitätsgraden herzustellen, die ein unterschiedliches Maß an Flexibilität, Dehnung oder Biegung ermöglichten. Sie schufen auch Platten mit Zahnrädern, die bei Bedarf ineinandergreifen konnten, wodurch eine Platte fast sofort extrem steif werden konnte.
Die Forscher schlagen vor, dass sie nicht nur als Maschinenteile verwendet werden, sondern auch in Roboteranhängen verwendet werden könnten, die sich wie Muskeln zusammenziehen.
Xin Fang et al, Programmierbare getriebebasierte mechanische Metamaterialien, Naturmaterialien (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01269-3
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