Johannes Overvelde tok doktorgrad i anvendt matematikk ved Harvard University da han møtte Chuck Hoberman, designer av Hoberman Sphere, en sammenleggbar regnbue ball for barn. Begge bodde i Cambridge og hadde lignende interesser. Overvelde arbeidet med å utvikle transformerbare materialer som kunne endre stivhet, og Hoberman, en arkitekt som også studerer kinetiske strukturer, hadde tenkt på hvordan forskjellige materialer kunne ta på seg egenskapene til hans sfære, endre form ved å artikulere ved forskjellige ledd.
Materialet i aksjon. (Johannes Overvelde) Å låne biter fra Hoberman Sphere og det origamibaserte konseptet snapologi, der sammenkoblede papirstrimler knipser sammen for å lage stive strukturer, Overvelde og teamet hans på Harvard har skapt det de kaller et metamateriale: en utvidbar struktur som kan brukes på dens eie, eller som en byggestein for å lage andre strukturer. De svekkede terningene, som har tre artikulasjonsgrader, er laget av tynne polymerark som kan brettes flatt, men som også kan dukke opp på en rekke forskjellige måter, akkurat som Hoberman Sphere. Ved å feste den til en pneumatisk slange, kan en bruker blåse opp en kube for å skape en større 3D-struktur. Overvelde sier at materialet har mange bruksområder, fra nanoskala stenter som kan settes inn i arterier og deretter utvides, til vegger, som vil brette seg opp og ventilere huset ditt når det blir varmt.
"Mens snapologi gir det geometriske utgangspunktet for vår forskning, er vårt fokus her på sammenleggbarheten til disse strukturer og hvordan dette kan føre til nye design for transformerbare metamaterialer, " skriver Overvelde i en ny artikkel publisert i Nature Communications .
Forskerne startet med papirmodeller, og prøvde å bevise at de med snapologi kunne bygge noe solid nok til å bruke i arkitektur.
"Vi hadde en papirmodell som var limt sammen, men dette var mye arbeid, og papirmodellen brøt etter en uke, " sier Overvelde. "Så vi tenkte: 'kan vi bringe dette mer til en konstruert struktur?' Ved å bruke tosidig tape og laserskårne tynne plastplater - en tykkere for ansikter og en tynnere for hengsler - laget vi disse enhetene som kunne settes ut helt flate, men hadde spesifikke frihetsgrader vi ikke hadde sett før. ”
Derfra eksperimenterte teamet med forskjellige måter å endre formen på strukturen. De bestemte seg for at pneumatisk aktivering, som var presis og lett å innlemme ved å lede luftslanger gjennom kubene, ville la dem bruke en struktur på flest mulig måter. Formen endres avhengig av hvilken del av strukturen som er fylt med luft. "Enhver struktur vi lager med denne enheten vil kunne konfigureres, " sier han.
Kuben kan komprimeres slik at den ligger flat. (Johannes Overvelde) For Overvelde er fleksibilitet den viktigste delen av konseptet. Han liker å tenke på kubene som et materiale, i stedet for bare å være en struktur for seg selv, fordi han tror mye av verdien av funnet kommer fra de mange forskjellige måtene de kan bygges på.
Gruppens første testkube var 50 centimeter kvadrat. Men ideen er skalerbar - de har bygget en sammenleggbar stol. Nå eksperimenterer forskerne med å gjøre oppblåsningsmekanismen følsom for signaler fra omgivelsene, som lys eller fuktighet. I veldig liten skala kan kubene fungere som fotoniske krystaller, og reflektere forskjellige bølgelengder av lys og forskjellige farger når de endrer form.
“Hvis du har en vinge av en sommerfugl, gir strukturen den farge. Så hvis du hadde en enhet som ønsker å endre farge, kan du etterligne det, sier Overvelde. "På den andre siden tenker du på arkitektonisk anvendelse. Hvis du fikk den til å reagere på varme, kan du lage en vegg av denne strukturen som åpnes og puster. Du kan lage en struktur som reagerer på vann, så når det regner, lukkes den automatisk opp. ”
Teknologien kan ha mange bruksområder. (Johannes Overvelde) Overvelde har bevist at konseptet fungerer, og nå ønsker han å se hvordan det kan brukes. I tillegg til fotoniske krystaller og den bevegelige arkitekturen, mener han at den kan brukes til alt fra medisinske apparater, som kan pakkes flatt for enkel innsetting i kroppen, til roboter og utplasserbare romskip.
"Jeg er veldig nysgjerrig på å se hvordan andre forskere vil ta det opp, " sier han.
