Als je een wegenkaart of bijsluiter opvouwt, maakt het uit in welke volgorde je het papier vouwt. Vaak gaat dat fout, waardoor het er rommelig uit gaat zien. Nieuwe rubberen vormpjes, ontworpen door Nederlandse onderzoekers, hebben dit probleem niet. Ze kunnen zichzelf stapsgewijs opvouwen. De vouwvolgorde zit in dit zogenoemde metamateriaal geprogrammeerd.
Dankzij een slim ontwerp ‘weten’ de onderdelen van de rubberen vorm zelf in welke volgorde ze in elkaar moeten vouwen. Je hoeft enkel tegen de zijkanten te duwen en het metamateriaal klapt in elkaar.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
De zelfvouwende vorm is ontworpen en gemaakt door Corentin Coulais van de Universiteit van Amsterdam en hoogleraar Martin van Hecke van Universiteit Leiden en onderzoeksinstituut AMOLF.
Stapje voor stapje
De meeste materialen, zoals een wegenkaart, hebben geen voorgeprogrammeerde stappenplan waardoor ze vanzelf goed opvouwen. Je moet zelf de stappen in de goede volgorde uitvoeren. Een verkeerd gevouwen wegenkaart is vervelend, maar geen ramp.
Dat is wel anders voor bijvoorbeeld zonnepanelen van ruimtesondes. Ook daarbij is de volgorde van vouwen vaak belangrijk. En in de ruimte wil je geen fouten maken. Om de vouwstappen gecontroleerd uit te voeren, worden daarom nu nog meerdere motortjes gebruikt die elke vouw apart aansturen.
Rubberen blokjes
Van Hecke en Coulais gingen op zoek naar een manier om de volgorde van de vouwen in een systeem in te bouwen. Een enkel zetje is dan genoeg om de structuur zichzelf op de goede manier op te laten vouwen.
Om hun model te testen hebben de onderzoekers een aantal rubberen vormen ontworpen van ongeveer een centimeter dik en bijna tien centimeter lang en breed. De vormen zijn opgebouwd uit kleine vierkante blokjes die onderling verbonden zijn. Die flexibele verbindingen kunnen draaien. Door er druk op uit te oefenen vouwen de verbindingen en komen de blokjes tegen elkaar aan te liggen.
De vouwvolgorde leggen de onderzoekers vast door de verbindingen verschillende diktes te geven. De verbindingen die in de eerste stap moesten samenklappen maken ze dunner dan die van de tweede en derde stap. Dunne verbindingen vouwen makkelijk waardoor ze het als eerst begeven als je ertegen duwt.
‘Dit klinkt eenvoudig, maar het kostte een paar pogingen voordat we precies wisten voor welke vormen dit werkt’, zegt Van Hecke. ‘Ook hebben we uitzocht waar de verbindingen precies moeten zitten en hoeveel dunner ze moeten zijn om ze als eerst te laten vouwen.’
Zelfcorrectie
Van Hecke laat op zijn kamer bij de Universiteit Leiden een van de rubberen ontwerpen zien. Stapsgewijs laat hij de vormpjes in elkaar klappen als hij met een plastic schuif tegen de zijkanten duwt. Na de eerste stap hebben de vierkantjes een compacter, regelmatig patroon gevormd. Na de laatste stap is er alle lege ruimte tussen de blokjes weg. Het vormpje is helemaal in elkaar gevouwen tot een veel kleinere, compactere structuur.
Zelfs de blokjes die in het begin een beetje verkeerd zaten, stonden aan het eind weer netjes in het gelid. ‘Die zelfcorrectie was een toevallige bijkomstigheid van het ontwerp’, zegt Van Hecke. De blokjes die verkeerd staan, draaien in eerste instantie de verkeerde kant op. Maar doordat ze tegen blokjes aankomen die wel goed staan, worden ze vanzelf in de juiste positie gedrukt.
Het onderzoek is nu nog fundamenteel. De auteurs demonstreren het stapsgewijs vouwen enkel voor een paar, specifieke voorbeelden, schrijft de niet-betrokken wetenschapper Larry Howell van Brigham Young University (VS) in een reactiestuk in Nature. ‘Maar hun werk biedt wel richtlijnen waarmee andere vormveranderende metamaterialen ontworpen kunnen worden.’
‘We proberen nu het belang van volgorde voor vouwprocessen van met simpele vormen, fundamenteel te begrijpen’, zegt Van Hecke. ‘Daarna kunnen we gaan kijken naar toepassingen.’
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees ook: