Formaváltás egy gombnyomásra

Felül: A merevség és a forma változása helyileg beállítható egy fólia mintázásával. Lent: Különböző magasságú fóliák egymásra helyezése lehetővé teszi egy programozható anyag létrehozását. © Fraunhofer ICT / Top: A merevség és a forma változása helyileg beállítható egy fólia mintázásával. Lent: Különböző magasságú fóliák egymásra helyezése lehetővé teszi egy programozható anyag létrehozását. © Fraunhofer ICT

Linkek: Egységsejt szerkezeti elemekből, középen: Az anyag felépítése sok sejtből, jobbra: 3D nyomtatott demonstrátor. © Fraunhofer IWM / Bal: Egységsejt szerkezeti elemekből, Középen: Az anyag szerkezete sok sejtből, Jobbra: 3D nyomtatott demonstrátor. © Fraunhofer IWM

Programozható anyagok valódi formaváltoztatók. Egy gombnyomásra kontrollált és fordítható módon változtatják meg tulajdonságaikat, és önállóan alkalmazkodnak az új körülményekhez. Alkalmazási területeik például a kényelmes ülés vagy az ágyak, amelyek megakadályozzák a nyomásemelést. Ezért a felület úgy deformálódik, hogy a fekvőfelület nagyobb lesz, és így csökken a nyomás a testtájakon. A Fraunhofer Programmierbare Materialien CPM kiválósági csoport kutatói ilyen programozható anyagokat fejlesztenek, és ipari partnerekkel együttműködve hozzák piacra azokat. Céljuk többek között az erőforrások felhasználásának csökkentése.

Számos ember világszerte érintett az ágyhoz kötöttségben – legyen az betegség, baleset vagy öregedés miatt. Mivel gyakran nem tudnak maguktól mozogni vagy fordulni, nagyon fájdalmas nyomásemelés léphet fel. Olyan anyagokkal, amelyek alakja és mechanikai tulajdonságai minden ponton programozhatóan változtathatók, a nyomásemelés jövőben elkerülhető lesz. Például a programozható anyagokból készült matracok keménységét és merevségét bármilyen területen gombnyomással beállíthatják. Emellett a fekvőfelület önállóan deformálódik úgy, hogy a magas nyomás egy helyen nagyobb felületen oszlik el. Az ágy ott, ahol nyomás van, automatikusan lágyabbá és rugalmasabbá válik. Továbbá az ápolók célzottan, betegspecifikusan beállíthatják az ergonomikus fekvést.

Anyag plusz mikrostruktúra

Az alkalmazásokhoz, amelyek a merevség vagy forma célzott változtatását igénylik, a Fraunhofer CPM kutatói fejlesztenek anyagokat, amelyeket hat központi intézet jellemez, és céljuk a programozható anyagok megtervezése és gyártása. De hogyan lehet egyáltalán programozni az anyagokat? „Alapvetően két beállítási lehetőség van: az alapanyag – a matracok esetében termoplasztikus műanyagok, más alkalmazásoknál fémből készült ötvözetek, akár alakmemória ötvözetek – és különösen a mikrostruktúra,” magyarázza Dr. Heiko Andrā, a Fraunhofer Institute for Techno- und Wirtschaftsmathematics ITWM témaközponti szóvivője, a Fraunhofer CPM egyik alapintézete. „A metamateriálok mikrostruktúrája egyedi sejtekből áll, amelyek szerkezeti elemekből, például kis gerendákból és vékony héjakból állnak.” Míg a hagyományos sejtes anyagok, például habok esetében a sejtek és szerkezeti elemek mérete véletlenszerűen változik, a programozható anyagok esetében ez is változtatható, de pontosan meghatározott – azaz programozott.

Ez a programozás például úgy történik, hogy a nyomás egy adott helyen a kívánt formai változásokat eredményezi más részeken a matracon, például a fekvőfelület növelése vagy a testzónák optimális támogatása érdekében.

Az anyagok hőre vagy nedvességre is reagálhatnak

Az, hogy milyen formaváltozást mutat az anyag, és milyen ingerekre reagál – mechanikus terhelés, hő, nedvesség vagy akár elektromos vagy mágneses mező –, szintén az anyag kiválasztásával és mikrostruktúrájával határozható meg. „A programozható anyagok lehetővé teszik, hogy a tárgyakat az adott alkalmazáshoz vagy személyhez igazítsuk, így sokoldalúbban használhatók, mint eddig. Ezért nem kell olyan gyakran cserélni őket. Különösen az erőforrás-felhasználás szempontjából érdekes,” mondja Franziska Wenz, a Fraunhofer Institute for Material Mechanics IWM helyettes témaközponti szóvivője, amely szintén a Fraunhofer CPM egyik alapintézete. Emellett értéket lehet teremteni azzal, hogy a tárgyakat a felhasználók egyéni igényeihez igazítják.

Az út az alkalmazás felé

Egyszerű anyagok teljes rendszereket, például szenzorokat, szabályozókat és aktuátorokat helyettesíthetnek. A Fraunhofer CPM célja az, hogy a funkciók integrálásával csökkentse a rendszerek összetettségét és az erőforrás-felhasználást. „A programozható anyagok fejlesztése során mindig figyelembe vesszük az ipari terméket is, például a sorozatgyártást és az anyagfáradást,” mondja Wenz. Már folyamatban vannak első konkrét pilotprojektek ipari partnerekkel. A kutatócsoport várakozása szerint a programozható anyagok kezdetben egyes alkatrészeket fognak helyettesíteni már meglévő rendszerekben, vagy speciális alkalmazásokban használják majd – például orvosi matracok, ülőhelyek, talpbetétek és védőruházat esetében. „Lépésről lépésre a programozható anyagok aránya növekedhet,” becsli Andrā. Végül is ezeket bárhol lehet alkalmazni – mind az orvosi és sporteszközökben, mind a softrobotikában, mind az űrkutatásban.