Zmiana formy jednym kliknięciem

Górny: Sztywność i zmiana kształtu mogą być lokalnie dostosowane poprzez wzór na folii. Dolny: Układanie folii o różnych wysokościach pozwala na tworzenie materiału programowalnego. © Fraunhofer ICT / Top: Sztywność i zmiana kształtu mogą być lokalnie dostosowane poprzez wzór na folii. Dolny: Układanie folii o różnych wysokościach pozwala na tworzenie materiału programowalnego. © Fraunhofer ICT

Linki: komórka jednostkowa z elementów strukturalnych, środek: budowa materiału z wielu komórek, po prawej: demonstrator wydrukowany w 3D. © Fraunhofer IWM / Lewo: komórka jednostkowa wykonana z elementów strukturalnych, Środek: struktura materiału z wielu komórek, Po prawej: demonstrator wydrukowany w 3D. © Fraunhofer IWM

Programowalne materiały są prawdziwymi kształtującymi formę. Na przycisk kontrolują i odwracalnie zmieniają swoje właściwości, dostosowując się samodzielnie do nowych warunków. Przykładowe zastosowania obejmują wygodne siedzenie lub materace, które zapobiegają odleżynom. Podłoże odkształca się tak, że powierzchnia podparcia jest duża, a nacisk na części ciała jest tym samym zmniejszony. Naukowcy z Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM rozwijają takie programowalne materiały i wspólnie z partnerami przemysłowymi wprowadzają je na rynek. Celem jest między innymi zmniejszenie zużycia zasobów.

Wiele osób na całym świecie cierpi na odleżyny – czy to z powodu choroby, wypadku czy starości. Ponieważ często nie mogą się same poruszać ani obracać, może dojść do bardzo bolesnych odleżyn. Dzięki materiałom, których kształt i właściwości mechaniczne można programowo zmieniać w dowolnym miejscu, odleżyny mają być w przyszłości zapobieganie. Na przykład twardość i sztywność materacy wykonanych z programowalnych materiałów można ustawiać za pomocą przycisku w dowolnym miejscu. Ponadto podłoże samoistnie odkształca się tak, aby rozkładać duży nacisk na większą powierzchnię. Łóżko w miejscu nacisku automatycznie staje się miększe i bardziej elastyczne. Dodatkowo personel pielęgniarski może celowo dostosować ergonomiczne ułożenie pacjenta do jego indywidualnych potrzeb.

Materiał plus mikrostruktura

Materiały do zastosowań wymagających celowej zmiany sztywności lub kształtu opracowują naukowcy z Fraunhofer CPM, które jest wyznaczone przez sześć głównych instytutów i ma na celu projektowanie i produkcję programowalnych materiałów. Ale jak w ogóle można programować materiały? »Zasadniczo mamy dwie główne możliwości: podstawowy materiał – w przypadku materacy termoplastyczne tworzywa sztuczne, dla innych zastosowań stopów metali, także stali sprężynowych – oraz szczególnie mikrostrukturę«, wyjaśnia dr Heiko Andrä, rzecznik tematyczny w Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, jednym z głównych instytutów Fraunhofer CPM. »Mikrostruktura tak zwanych metamateriałów składa się z pojedynczych komórek, które z kolei składają się z elementów strukturalnych, takich jak małe belki i cienkie powłoki.« Podczas gdy rozmiar poszczególnych komórek i ich elementów strukturalnych w tradycyjnych materiałach komórkowych, takich jak pianki, jest losowo zmieniany, w programowalnych materiałach jest on również zmienny, ale dokładnie określony – czyli zaprogramowany.

Programowanie to odbywa się na przykład w taki sposób, że nacisk w określonej pozycji prowadzi do pożądanych zmian kształtu w innych miejscach materaca, na przykład aby powiększyć powierzchnię podparcia i optymalnie wspierać strefy ciała.

Materiały mogą również reagować na ciepło lub wilgoć

Jakie zmiany kształtu materiał ma wykazywać i na jakie bodźce – obciążenie mechaniczne, ciepło, wilgoć, a nawet pole elektryczne lub magnetyczne – można również określić poprzez wybór materiału i jego mikrostrukturę. »Programowalne materiały umożliwiają dostosowanie przedmiotów do konkretnego zastosowania lub osoby, co pozwala na ich wielofunkcyjne wykorzystanie w porównaniu do dotychczasowych rozwiązań. Nie muszą być więc tak często wymieniane. Zwłaszcza z punktu widzenia zużycia zasobów jest to interesujące«, mówi Franziska Wenz, zastępczyni rzecznika tematycznego w Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, również jednego z głównych instytutów Fraunhofer CPM. Ponadto można uzyskać wartość dodaną, dostosowując przedmioty do indywidualnych potrzeb użytkowników.

Droga do zastosowania

Jeden materiał może zastąpić całe systemy składające się z czujników, regulatorów i aktuatorów. Celem Fraunhofer CPM jest zmniejszenie złożoności systemów poprzez integrację funkcji w materiale oraz ograniczenie zużycia zasobów. »Podczas opracowywania programowalnych materiałów zawsze mamy na uwadze produkt przemysłowy, uwzględniając między innymi produkcję seryjną i zmęczenie materiału«, mówi Wenz. Już trwają pierwsze konkretne projekty pilotażowe z partnerami przemysłowymi. Zespół naukowców przewiduje, że programowalne materiały początkowo zastąpią pojedyncze komponenty w już istniejących systemach lub będą wykorzystywane w specjalnych zastosowaniach – na przykład w medycznych materacach, siedzeniach, podeszwach butów i odzieży ochronnej. »Stopniowo udział programowalnych materiałów może się zwiększyć«, ocenia Andrä. W końcu można je stosować wszędzie – zarówno w medycynie i sporcie, w softrobotyce, jak i w badaniach kosmicznych.