Özellikleri öncelikle kimyasal bileşimlerinden ziyade iç mikroyapıları tarafından belirlenen malzemeler olan metamalzemeler, son on yıldır mühendislik malzemeleri alanını yeniden tanımlıyor. Bununla birlikte, bugüne kadar çoğu metamalzeme, sertlik ve mukavemet için tasarlanmış hafif seçenekler olmuştur.
MIT Makine Mühendisliği Bölümü'nden yapılan yeni bir araştırma, yeni bir yumuşak, esnek ve deforme olabilen metamalzeme sınıfının oluşturulmasını desteklemek için hesaplamalı bir tasarım çerçevesi sunuyor. 3D dokuma metamalzemeler olarak adlandırılan bu metamalzemeler, birbirine dolanan ve malzemeye benzersiz özellikler kazandıran iç içe geçmiş liflerden oluşan yapı taşlarından oluşmaktadır.
Robert N. Noyce Kariyer Geliştirme Profesörü ve makine mühendisliği doçenti Carlos Portela, "Yumuşak robotik, biyomedikal cihazlar, hatta giyilebilir cihazlar ve fonksiyonel tekstiller gibi alanlardaki yeni mühendislik zorlukları için yumuşak malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır" diye açıklıyor.
Portela'nın laboratuvarından araştırmacılar, 26 Ocak'ta Nature Communications dergisinde yayınlanan açık erişimli bir makalede , çok çeşitli özelliklere sahip karmaşık 3 boyutlu dokuma metamalzemeler üreten evrensel bir tasarım çerçevesi sunuyor. Çalışma ayrıca, kullanıcıların özelliklere uygun tasarımlar oluşturmasına ve 3 boyutlu yazıcı kullanarak malzemeyi yazdırmak veya simüle etmek için bir dosya oluşturmasına olanak tanıyan açık kaynak kod da sağlıyor.
Portela, “Normal örgü veya dokuma, yüzlerce yıldır donanımla sınırlı kalmıştır; örneğin, giysi yapabileceğiniz sadece birkaç desen vardır. Ancak donanım artık bir sınırlama olmadığında bu durum değişir,” diyor. “Bu çerçeveyle, tekstilin davranış biçimini tamamen değiştiren ilginç desenler ortaya çıkarabilirsiniz.”
Olası uygulamalar arasında insan derisiyle birlikte hareket eden giyilebilir sensörler, havacılık veya savunma ihtiyaçlarına yönelik kumaşlar, esnek elektronik cihazlar ve çeşitli diğer baskı yapılabilir tekstil ürünleri yer almaktadır.
Ekip, öncelikle metamalzemenin grafiksel bir temsilini sağlayan bir algoritma biçiminde genel tasarım kuralları geliştirdi. Bu grafiğin özellikleri, her bir lifin metamalzeme içinde nasıl yerleştirileceğini ve bağlanacağını belirler. Temel yapı taşları, dokuma destekleri oluşturan liflerin yarıçapı ve aralığı gibi çeşitli tasarım parametrelerinin kontrolü yoluyla işlevsel olarak derecelendirilebilen dokuma birim hücrelerdir.
"Bu çerçeve, bu metamalzemelerin bir yerde daha yumuşak, başka bir yerde daha sert olacak şekilde veya gerildikçe şekil değiştirecek şekilde tasarlanmasına olanak tanıdığı için, geleneksel yumuşak malzemeler kullanılarak tasarlanması zor olacak olağanüstü bir davranış yelpazesi sergileyebilirler," diyor çalışmanın baş yazarı Molly Carton. Portela'nın laboratuvarında eski bir doktora sonrası araştırmacısı olan Carton, şu anda Maryland Üniversitesi'nde makine mühendisliği alanında yardımcı araştırma profesörü olarak görev yapıyor.
Ayrıca, simülasyon çerçevesi, kullanıcıların bu malzemelerin deformasyon tepkisini tahmin etmelerine, lifler içindeki kendi kendine temas ve dolaşma gibi karmaşık olayları yakalamalarına ve deformasyon veya yırtılma modellerini tahmin edip bunlara karşı direnç göstermelerine olanak tanır.
Portela, "En heyecan verici kısım, bu malzemelerdeki arızayı şekillendirebilmek ve keyfi kombinasyonlar tasarlayabilmekti," diyor. "Simülasyonlara dayanarak, bu uzamsal olarak değişen geometrileri üretebildik ve mikro ölçekte bunlar üzerinde deneyler yapabildik."
Bu çalışma, kullanıcılara uzayabilen ve dayanıklı olan yeni bir metamalzeme sınıfını tasarlama, yazdırma ve simüle etme olanağı sunan ilk çalışmadır. Ayrıca, geometrik parametrelerin ayarlanması yoluyla kullanıcıların bu malzemelerin nasıl deforme olacağını ve kırılacağını kontrol edebileceğini ve tahmin edebileceğini göstermekte ve dokuma metamalzemelerin özellik alanını önemli ölçüde genişleten çeşitli yeni tasarım yapı taşları sunmaktadır.
Carton, “Şimdiye kadar bu karmaşık 3 boyutlu kafesler elle, büyük bir özenle tasarlanıyordu; bu da test edilen tasarım sayısını sınırlıyordu,” diyor. “Bu dokuma kafeslerin nasıl çalıştığını tanımlayabildik ve bunu keyfi dokuma kafesler için bir tasarım aracı oluşturmak için kullandık. Bu tasarım özgürlüğüyle, bir kafesin gerildikçe nasıl şekil değiştirdiğini, liflerin birbirine nasıl dolanıp düğümlendiğini ve sınırına kadar gerildiğinde nasıl yırtıldığını tasarlayabiliyoruz.”
Carton, bu çerçevenin birçok disiplinde faydalı olacağına inandığını söylüyor. “Bu çerçeveyi bir yazılım aracı olarak yayınlayarak, diğer araştırmacıların dokuma kafesler kullanarak nelerin mümkün olduğunu keşfetmelerini ve bu tasarım esnekliğinden yararlanmanın yeni yollarını bulmalarını umuyoruz,” diyor. “Çalışmamızın hangi kapıları açabileceğini görmek için sabırsızlanıyorum.”
" Programlanabilir üç boyutlu dokuma metamalzemeler için tasarım çerçevesi " başlıklı makale, Nature Communications dergisinde yayımlandı. Makalenin diğer MIT'li yazarları arasında James Utama Surjadi, Bastien FG Aymon ve Ling Xu yer alıyor.
Bu çalışma kısmen MIT.nano'nun üretim ve karakterizasyon tesislerinin kullanımıyla gerçekleştirilmiştir.
