Vormandering met één druk op de knop

Boven: De stijfheid en vormverandering kunnen lokaal worden aangepast door het structureren van een folie. Onder: Het stapelen van folies met verschillende hoogtes maakt het mogelijk een programmeerbaar materiaal te creëren. © Fraunhofer ICT / Top: Stijfheid en vormverandering kunnen lokaal worden aangepast door het patrooneren van een folie. Onder: Het stapelen van folies met verschillende hoogtes maakt de creatie van een programmeerbaar materiaal mogelijk. © Fraunhofer ICT

Links: Eenheidscel uit structurele elementen, Midden: Structuur van het materiaal uit vele cellen, Rechts: 3D-geprint demonstratiemodel. © Fraunhofer IWM / Left: Unit cell made of structural elements, Middle: Structure of the material from many cells, Right: 3D printed demonstrator. © Fraunhofer IWM

Programmeerbare materialen zijn ware vormveranderaars. Druk op de knop veranderen ze gecontroleerd en omkeerbaar hun eigenschappen en passen ze zich zelfstandig aan nieuwe omstandigheden aan. Toepassingsgebieden zijn bijvoorbeeld comfortabel zitten of matrassen die doorliggen voorkomen. Daarbij vervormt de onderlaag zodanig dat het contactoppervlak groot is en de druk op de lichaamsdelen daardoor wordt verminderd. Onderzoekers van het Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM ontwikkelen dergelijke programmeerbare materialen en brengen ze samen met industriële partners naar de markt. Het doel is onder andere het verminderen van het gebruik van hulpbronnen.

Wereldwijd worden talloze mensen getroffen door bedlegerigheid – hetzij door ziekte, ongeluk of ouderdom. Omdat ze zich vaak niet zelf kunnen bewegen of draaien, kan doorligwonden ontstaan die erg pijnlijk kunnen zijn. Met materialen waarvan de vorm en mechanische eigenschappen op elke plek programmeerbaar kunnen worden veranderd, moet doorligwonden in de toekomst worden voorkomen. Bijvoorbeeld kan de hardheid en stijfheid van matrassen, die uit programmeerbare materialen zijn vervaardigd, op elk gewenst gebied met een druk op de knop worden ingesteld. Bovendien vervormt de onderlaag zelfstandig zodanig dat een hoge druk op één plek wordt verdeeld over een groter oppervlak. Het bed wordt automatisch zachter en elastischer op de plek waar het drukt. Daarnaast kunnen zorgverleners gericht een ergonomische houding voor de patiënt instellen.

Materiaal plus microstructurering

Materialen voor toepassingen die een gerichte verandering in stijfheid of vorm vereisen, ontwikkelen onderzoekers van het Fraunhofer CPM, dat wordt gekenmerkt door zes kerninstituten en tot doel heeft programmeerbare materialen te ontwerpen en te produceren. Maar hoe kunnen materialen überhaupt worden geprogrammeerd? »We hebben in principe twee instellingsmogelijkheden: het basismateriaal – in het geval van matrassen thermoplastische kunststoffen, voor andere toepassingen metalen legeringen, ook shape memory alloys – en vooral de microstructuur«, legt Dr. Heiko Andrã, themafocusspecialist aan het Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, een van de kerninstituten van het Fraunhofer CPM, uit. »De microstructuur van de zogenaamde metamaterialen bestaat uit individuele cellen die op hun beurt bestaan uit structurele elementen zoals kleine balken en dunne schalen.« Terwijl de grootte van de individuele cellen en hun structurele elementen bij conventionele cellulaire materialen zoals schuimen willekeurig varieert, is deze bij programmeerbare materialen wel variabel, maar precies vastgelegd – oftewel geprogrammeerd.

Deze programmering gebeurt bijvoorbeeld zo dat druk op een bepaalde plek leidt tot gewenste vormveranderingen op andere plaatsen van het matras, bijvoorbeeld om het contactoppervlak te vergroten en de lichaamszones optimaal te ondersteunen.

Materialen kunnen ook reageren op warmte of vocht

Welke vormverandering het materiaal moet vertonen en op welke prikkels het reageert – mechanische belasting, warmte, vocht of zelfs een elektrisch of magnetisch veld – kan ook worden bepaald door de keuze van het materiaal en de microstructuur ervan. »De programmeerbare materialen maken het mogelijk om voorwerpen aan te passen aan de betreffende toepassing of persoon en de dingen zo multifunctioneel te gebruiken als nooit tevoren. Ze hoeven dus niet zo vaak te worden vervangen. Vooral vanuit het oogpunt van hulpbronnenverbruik is dat interessant«, zegt Franziska Wenz, adjunct-themafocusspecialist aan het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, eveneens een van de kerninstituten van het Fraunhofer CPM. Bovendien kan er een meerwaarde worden gecreëerd door voorwerpen aan te passen aan de individuele behoeften van gebruikers.

De weg naar toepassing

Een enkel materiaal kan complete systemen uit sensoren, regelingen en actuatoren vervangen. Het doel van het Fraunhofer CPM is om door de integratie van functies in het materiaal de complexiteit van systemen te verminderen en het gebruik van hulpbronnen te beperken. »Bij de ontwikkeling van programmeerbare materialen houden we altijd rekening met het industriële product, zoals bijvoorbeeld de serieproductie en de materiaaldaling«, zegt Wenz. Er lopen ook al eerste concrete pilotprojecten met industriële partners. Het onderzoekers-team verwacht dat de programmeerbare materialen in eerste instantie enkele componenten in reeds bestaande systemen zullen vervangen of in speciale toepassingen zullen worden gebruikt – bijvoorbeeld bij medische matrassen, stoelen, zolen en beschermkleding. »Geleidelijk kan het aandeel programmeerbare materialen toenemen«, schat Andrã. Ze kunnen immers overal worden ingezet – zowel in medische en sportartikelen, in softrobotica als in de ruimtevaart.