Driven Odd Elasticity in Passive Mechanical Metamaterials

Stel je een wereld voor waarin de regels van de natuurkunde aanvoelen als een goocheltruc. In onze dagelijkse ervaring, als je tegen een veer duwt, duwt deze terug; als je een elastiekje draait, draait het terug. Dit is de wereld van "passieve" materialen—dingen zoals staal, hout of rubber die simpelweg energie opslaan en vrijgeven zonder iets extra's te doen. Ze zijn beleefd, voorspelbaar en volgen een strikte regel genaamd reciprociteit: als je eraan trekt, rekken ze uit; als je ze draait, roteren ze. Ze verrassen je nooit door het tegenovergestelde te doen van wat je vroeg.

Maar wat als een materiaal deze beleefde overeenkomst zou kunnen breken? Wat als je eraan trok, en in plaats van alleen maar uit te rekken, besloot het te draaien? Of als je het draaide, en het weigerde om terug te rekken? Deze vreemde, eenrichtingsweg van de natuurkunde wordt "odd elasticity" (vreemde elasticiteit) genoemd. Normaal gesproken denken wetenschappers dat je een batterij, een robotbrein of een soort actieve energiebron nodig hebt om een materiaal zo te laten gedragen. Het is alsof je een motor nodig hebt om een deur open te laten zwaaien wanneer je hem dichtduwt. Maar wat als je een deur zou kunnen bouwen die openzwaait door de wind, met behulp van alleen tandwielen en veren? Dat is de grote vraag die dit artikel stelt: Kunnen we een passieve machine een truc laten uithalen waardoor hij zich gedraagt als een actieve, magische machine, met niets anders dan slimme geometrie en een beetje schudden?

De onderzoekers, Mohamad Rahimi en Harold S. Park van Boston University, zeggen van wel. Ze hebben een mechanisch metamateriaal ontworpen—een structuur gebouwd uit kleine, herhalende onderdelen—dat deze "driven odd elasticity" vertoont met behأل alleen passieve componenten. Ze gebruikten geen elektronica, batterijen of feedbackloops. In plaats daarvan bouwden ze een systeem met een vierkant rooster (een raster van kleine balken) en een reeks speciale, chirale tandwielen (tandwielen met tanden die in een specifieke richting scheef staan, zoals een spiraal).

Zo werkt hun machine. Stel je een tandwiel voor dat tussen twee muren zit. De ene wand is de vloer, en de andere is het plafond. Het tandwiel heeft een kleine opening, of "clearance", van 0,15 mm tussen de tanden en het plafond. De onderzoekers laten dit tandwiel heel snel heen en weer draaien (met een frequentie van 12π radialen per seconde) met een kleine wiebel. Dit draaien is de "drive" (de aandrijving). Stel je nu voor dat ze het rooster van balken dat aan dit tandwiel vastzit, langzaam uitrekken. Terwijl het rooster uitrekt, wordt het tandwiel samengedrukt. Vanwege de kleine opening verliest het tandwiel even contact met het plafond, springt het over een tand, en landt het op de volgende. Omdat de tanden scheef zijn (chiraal), zorgt deze sprong er niet alleen voor dat het tandwiel omhoog of omlaag beweegt, maar dwingt het het tandwiel om zijwaarts te glijden.

Dit is de goocheltruc. Door het materiaal recht uit te rekken (spanning), dwingen ze het om zijwaarts te glijden (schuifspanning). Maar hier komt de crux: als ze proberen het materiaal eerst zijwaarts te verschuiven, trekt het niet recht uit. De relatie is eenrichtingsverkeer. In de taal van de natuurkunde creëert dit een "odd shear modulus". Het materiaal heeft een verborgen eigenschap, een getal genaamd "A" (dat ze berekenden als 3125 GPa), die trekken met draaien verbindt op een manier die de gebruikelijke regels van symmetrie doorbreekt.

Omdat deze relatie verbroken is, kan het materiaal iets doen wat onmogelijk is voor normale veren: het kan "niet-conserverende arbeid" verrichten. In een normale cyclus, als je een veer uitrekt en dan loslaat, krijg je precies de energie terug die je erin hebt gestopt. Maar in deze door tandwielen aangedreven machine, als je het uitrekt en draait in een specieke lus, kan het materiaal energie absorberen of vrijgeven, afhankelijk van de richting die je gaat. Het is als een achtbaan die snelheid wint of verliest door simpelweg in een cirkel te rijden, zonder dat er een motor is die duwt, puur omdat het pad zelf asymmetrisch is.

Het artikel keek ook naar wat er gebeurt met golven die door dit vreemde materiaal reizen. In normale materialen verspreiden golven zich gelijkmatig. Maar omdat dit materiaal die "vreemde" eigenschap heeft, breekt het een symmetrie die "parity-time" (PT) symmetrie wordt genoemd. Dit leidt tot een fenomeen genaamd het "non-Hermitian skin effect". Stel je voor dat je in een gang schreeuwt; meestal echoot het geluid overal. Maar in dit metamateriaal raakt het geluid vast. Het hoopt zich op en versterkt aan één uiteinde van de structuur, terwijl het aan de andere kant wegsterft. De onderzoekers simuleerden dit gedrag en vonden dat de golven inderdaad lokaliseren aan de randen, en zich gedragen als een eenrichtingsweg voor energie.

De auteurs merken er voorzichtig bij op dat deze resultaten voortkomen uit computersimulaties met de software genaamd ABAQUS. Ze hebben nog geen enorme fysieke versie hiervan gebouwd, maar de wiskunde en de virtuele modellen laten zien dat het werkt. Ze sluiten expliciet de mogelijkheid uit dat er actieve elektronica of interne energiebronnen nodig zijn om dit effect te krijgen. In plaats daarvan laten ze zien dat de "drive" komt van het externe schudden van de tandwielen, en dat het "vreemde" gedrag voortkomt uit de slimme vorm van de tanden.

Dus, wat betekent dit? Het betekent dat de vreemde, magische wereld van "odd elasticity" niet alleen is voor robots met batterijen. Het kan gebouwd worden met eenvoudige, passieve tandwielen en veren als je weet hoe je ze moet arrangeren. Dit opent de deur naar het creëren van materialen die golven kunnen versterken, op vreemde manieren kunnen bewegen, of energie in nieuwe patronen kunnen opslaan, allemaal zonder dat er een verlengkabel nodig is. Het is een herinnering dat de meest complexe gedragingen soms voortkomen uit de eenvoudigste, meest speelse arrangementen van onderdelen.