Het rimpelpatroon van een uitgedroogde passievrucht blijkt een soort symmetrie te vertonen die nog niet eerder bekend was. Dit inspireerde onderzoekers tot het ontwerpen van een grijprobot die in de toekomst van pas zou kunnen kunnen om ruimtepuin mee op te ruimen.
Wie weleens een passievrucht op de fruitschaal heeft liggen, weet dat de schil geleidelijk verandert van strak en glad naar gerimpelder dan de huid van een 120-jarige. Dat is precies wat er gebeurde met een doos passievruchten die was blijven staan op het kantoor van een Chinese onderzoeksgroep. Dit leidde tot een uitgebreide studie naar het ontstaan van dit rimpelpatroon.
De onderzoekers ontwikkelden een wiskundig model dat beschrijft hoe de strakke schil van de passievrucht verandert in een rimpelig landschap als hij uitdroogt. Dit model verklaart niet alleen de vormverandering, maar maakt het ook mogelijk om grijpers te ontwikkelen die gebaseerd zijn op dit rimpelpatroon. Dat demonstreerden de onderzoekers door de structuur na te maken op het oppervlak van een siliconen schil.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Buigen of knikken
Rimpelpatronen vind je op allerlei plekken in meer en minder natuurlijke materialen. Zulke rimpels kunnen grofweg op twee manieren ontstaan.
De eerste oorzaak is groei. Onze hersenen zijn bijvoorbeeld in de eerste periode van de zwangerschap nog vrij glad. Maar doordat het hersenschors vervolgens sneller groeit dan de rest van het brein, wordt het samengedrukt en ontstaan er rimpelingen en kronkels.
De andere voornaamste oorzaak van rimpels is uitdroging. Dat zorgt bijvoorbeeld voor de rimpelige schil van uitgedroogd fruit en het rimpelen van je huid als je ouder wordt.
Zowel bij groei als bij uitdroging komt een materiaal onder druk te staan. Als die druk een kritiek punt bereikt, kan het materiaal plots buigen of knikken. Dit proces speelt bijvoorbeeld ook bij spoorspatting: het verschijnsel waarbij gevaarlijke knikken ontstaan in spoorrails als de spoorstaven door de warmte uitzetten.
Het begrijpen en beïnvloeden van de vorming van rimpelpatronen kan technologische toepassingen hebben. Het komt bijvoorbeeld van pas bij het ontwerpen van flexibele elektronica of de ‘huid’ van zachte robots.
Onbekend patroon
De Chinese onderzoeksgroep ontdekte dat de schil van een uitdrogende passievrucht eerst in elkaar vouwt tot een buckyballvorm. Dat is een vorm met zeshoeken en vijfhoeken, zoals het oppervlak van een voetbal.
Naarmate de vrucht verder uitdroogt, ontstaan er diepere groeven en rimpels. Die blijken zich te rangschikken in een voorheen onbekend chiraal patroon. Dat betekent dat het rimpelpatroon niet identiek is aan zijn spiegelbeeld. Om precies te zijn: het is een patroon dat je niet zo kunt draaien of verschuiven dat het er hetzelfde uitziet als zijn spiegelbeeld. Een voorbeeld van chirale symmetrie zijn je linker- en rechterhand.
Grijprobot
Geïnspireerd door de uitgedroogde passievrucht maakten de onderzoekers een bolvormige siliconen schil met een vergelijkbaar chiraal patroon. Deze schil plaatsten ze op een robotgrijper. De structuur bleek zeer geschikt om kleine voorwerpen mee op te pakken. Dat demonstreerden de onderzoekers met een aantal voorwerpen, zoals een diamant, blauwe bes, schroef of hartvormig snoepje.
Deze grijpstructuur zou gebruikt kunnen worden om gevaarlijke voorwerpen op te pakken, zoals kleine radioactieve of explosieve materialen. Een andere toepassing is mogelijk het opruimen van ruimtepuin, zoals brokstukken van satellieten of raketten die in een baan om de aarde zweven. Ongeveer een half miljoen van die brokstukjes zijn, volgens NASA, ongeveer zo groot als een knikker (1 centimeter); en miljoenen zijn nog kleiner.
De techniek kan misschien ook mogelijkheden bieden voor micro-elektronica, schrijft materiaalwetenschapper Francesco Dal Corso, van de Italiaanse Universiteit van Trento, in een News & Views-artikel over de Chinese publicatie. Daarvoor zouden de nu puur mechanische eigenschappen gecombineerd moeten worden met elektriciteit. Voor dergelijke toepassingen zal de techniek verder verbeterd moeten worden.
