Změna tvaru stisknutím tlačítka

Oben: Tuhost a tvarová změna mohou být lokálně upraveny strukturací fólie. Dole: Skládání fólií různých výšek umožňuje vytvoření programovatelného materiálu. © Fraunhofer ICT / Top: Tuhost a tvarová změna mohou být lokálně upraveny vzorem na fólii. Dole: Skládání fólií různých výšek umožňuje vytvoření programovatelného materiálu. © Fraunhofer ICT

Odkazy: Jednotková buňka ze strukturálních prvků, uprostřed: Složení materiálu z mnoha buněk, napravo: 3D tištěný demonstrátor. © Fraunhofer IWM / Vlevo: Jednotková buňka vyrobená ze strukturálních prvků, uprostřed: Struktura materiálu z mnoha buněk, vpravo: 3D tištěný demonstrátor. © Fraunhofer IWM

Programovatelné materiály jsou skuteční tvůrci tvarů. Na tlačítko mění kontrolovaně a reverzibilně své vlastnosti a samostatně se přizpůsobují novým podmínkám. Oblasti použití jsou například pohodlné sezení nebo matrace, které zabrání proleženinám. Přitom se podložka deformuje tak, že plocha ležení je velká a tlak na části těla se tím snižuje. Výzkumníci z Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM vyvíjejí takové programovatelné materiály a společně s průmyslovými partnery je uvádějí na trh. Cílem je mimo jiné snížit spotřebu zdrojů.

Celosvětově je mnoho lidí postiženo proleženinami – ať už kvůli nemoci, úrazu nebo stáří. Protože se často nemohou sami pohybovat nebo otáčet, může dojít k velmi bolestivým proleženinám. S materiály, jejichž tvar a mechanické vlastnosti lze programovatelně měnit na každém místě, by se proleženiny měly v budoucnu zabránit. Například tvrdost a tuhost matrací vyrobených z programovatelných materiálů by mohly být na libovolném místě nastaveny stiskem tlačítka. Navíc se podložka sama přizpůsobí tak, že vysoký tlak na jednom místě se rozptýlí na větší plochu. Postel se v místě tlaku automaticky stává měkčí a elastičtější. Navíc mohou ošetřovatelé cíleně nastavovat ergonomické ležení podle potřeb pacienta.

Materiál plus mikrostruktura

Materiály pro aplikace, které vyžadují cílenou změnu tuhosti nebo tvaru, vyvíjejí výzkumníci z Fraunhofer CPM, který je ovlivněn šesti jádrovými institucemi a jehož cílem je koncipovat a vyrábět programovatelné materiály. Ale jak lze materiály vůbec programovat? „Obecně máme dva hlavní parametry: základní materiál – v případě matrací termoplastické plasty, u jiných aplikací kovové slitiny, včetně tvarové paměťové slitiny – a především mikrostrukturu,“ vysvětluje Dr. Heiko Andrā, mluvčí tématického zaměření na Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, jednom z jádrových institutů Fraunhofer CPM. „Mikrostruktura takzvaných metamateriálů se skládá z jednotlivých buněk, které jsou opět složeny ze strukturálních prvků, jako jsou malé nosníky a tenké skořepiny.“ Zatímco velikost jednotlivých buněk a jejich strukturálních prvků se u běžných buněčných materiálů, například pěn, náhodně liší, u programovatelných materiálů je jejich velikost sice také variabilní, ale přesně stanovená – tedy programovaná.

Tato programování se například provádí tak, že tlak na určitém místě vede ke změnám tvaru na jiných místech matrace, například ke zvětšení plochy ležení a k optimální podpoře tělesných zón.

Materiály mohou reagovat také na teplo nebo vlhkost

Jaká změna tvaru má materiál vykazovat a na jaké podněty – mechanické zatížení, teplo, vlhkost nebo elektrické či magnetické pole – má reagovat, lze rovněž určit volbou materiálu a jeho mikrostruktury. „Programovatelné materiály umožňují přizpůsobit předměty konkrétní aplikaci nebo osobě a tím je využívat multifunkčněji než doposud. Nemusí se tak často měnit. Zejména s ohledem na spotřebu zdrojů je to zajímavé,“ říká Franziska Wenz, zástupkyně tématického zaměření na Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, také jedno z jádrových institutů Fraunhofer CPM. Navíc lze vytvořit přidanou hodnotu tím, že se předměty přizpůsobí individuálním potřebám uživatelů.

Cesta k použití

Jeden materiál může nahradit celé systémy senzorů, regulátorů a aktuátorů. Cílem Fraunhofer CPM je snížit složitost systémů integrací funkcí do materiálu a tím i spotřebu zdrojů. „Při vývoji programovatelných materiálů máme stále na paměti průmyslový produkt, například zohledňujeme sériovou výrobu a únavu materiálu,“ říká Wenz. Již probíhají první konkrétní pilotní projekty s průmyslovými partnery. Výzkumný tým očekává, že programovatelné materiály nejprve nahradí jednotlivé komponenty v již existujících systémech nebo budou využívány v speciálních aplikacích – například u lékařských matrací, sedadel, podrážek bot a ochranného oblečení. „Postupně by se pak mohl podíl programovatelných materiálů zvýšit,“ odhaduje Andrā. Tyto materiály lze totiž použít téměř všude – ve zdravotnických a sportovních výrobcích, v softrobotice i ve vesmírném výzkumu.