Design principles for energy dissipation in viscoelastic network metamaterials

Stel je een wereld voor waarin de materialen om ons heen niet slechts massieve blokken materie zijn, maar ingewikkelde, webachtige structuren gemaakt van piepkleine staven en verbindingen, vergelijkbaar met een gigantisch, 3D-spinnenweb of een complexe steigerconstructie. Wetenschappers noemen deze "metamaterialen". In tegenstelling tot normale materialen, waarvan de eigenschappen voortkomen uit waar ze van gemaakt zijn (zoals staal sterk is omdat het van ijzer is), krijgen metamaterialen hun superkrachten door hoe ze zijn gebouwd. Denk aan een muziekinstrument: een gitaarsnaar en een violasnaar kunnen van hetzelfde metaal zijn gemaakt, maar de vorm van het instrument verandert het geluid. In de echte wereld willen we dat deze materialen meer doen dan alleen dingen omhoog houden; we willen dat ze meesters zijn in "energie-dissipatie". Dit is een chique manier om te zeggen dat ze heel goed zijn in het opslokken van trillingen en schokken, waarbij ze de wiebelige energie van een aardbeving of een auto-ongeluk omzetten in onschadelijke warmte, in plaats van het te laten rondstuiteren en dingen te laten breken.

Lange tijd hebben ingenieurs geprobeerd om betere schokabsorbeerders te maken met behulp van sponsachtig schuim of rommelige mengsels van verschillende materialen. Maar deze zijn moeilijk nauwkeurig af te stemmen. Een nieuw idee is om deze schokabsorbeerders te bouwen als perfecte, door de computer ontworpen netwerken. Echter, het uitzoeken van de beste manier om de staven in deze enorme, rommelige webben te rangschikken is een nachtmerrie voor computers. Het is alsoals proberen de perfecte route door een doolhof te vinden dat constant van vorm verandert, maar het doolhof is zo groot dat het controleren van elke mogelijke afslag langer zou duren dan de leeftijd van het universum. Hier komt een nieuwe studie in beeld, die een slimme afkorting biedt om dit puzzelstukje op te lossen en verrassende regels onthult over hoe je de ultieme trilling-etende machine bouwt.

De Grote Trillingsjacht: Hoe bouw je een betere schokabsorber?

Maak kennis met de onderzoekers, een team van wetenschappers die essentieel digitale architecten zijn. Ze wilden een grote vraag beantwoorden: Als je een vaste hoeveelheid materiaal hebt om een enorm, rommelig web van staven te bouwen, hoe moet je dan de dikte van die staven rangschikken om de meeste energie op te slokken? Stel je voor dat je een emmer klei hebt. Je zou elke staaf in je web even dik kunnen maken, of je zou sommige superdik en andere papierdun kunnen maken. Welke manier maakt de beste schokabsorber?

Om dit te ontdekken, konden ze niet simpelweg een miljoen fysieke webben bouwen en ze schudden. In plaats daarvan bedachten ze een supersnelle computertruc. Normaal gesproken moeten computers, om te simuleren hoe een staaf trilt, de staaf op in duizenden kleine stukjes hakken. Maar dit team realiseerde zich dat ze elke staaf als een geheel, een continue golf kunnen behandelen, zoals een gitaarsnaar, en alleen naar de "verbindingen" kunnen kijken waar de staven samenkomen. Dit veranderde een massief, onmogelijk wiskundig probleem in een beheersbaar probleem, waardoor ze duizenden verschillende ontwerpen in een oogwenk konden testen.

De "Willekeurige" Fout
Eerst vroegen ze: Wat gebeurt er als we gewoon pijltjes gooien op de doelwit? Zeen de dikte van de staven in hun virtuele webben willekeurig toe. Het resultaat was een beetje teleurstellend. Meestal maakte een willekeurige bende van dikke en dunne staven de schokabsorber zelfs slechter dan wanneer ze alles even dik hadden gemaakt. Het blijkt dat de natuur (of in ieder geval goed engineering) niet van chaos houdt als het gaat om het stoppen van trillingen. Als je maar wat gokt, eindig je waarschijnlijk met een structuur die de energie er gewoon doorheen laat glippen.

Het Geheime Recept: Het "Gradiënt"-ontwerp
Maar toen gebruikte het team een slim computeralgoritme om het perfecte ontwerp te vinden. Ze gokten niet alleen; ze lieten de computer "leren" welke diktes het beste werkten. Het resultaat was een prachtig, niet-willekeurig patroon. Het optimale ontwerp zag eruit als een gradiënt: de staven direct naast het punt waar de trilling begon (de "bron") waren dik en zwaar, en naarmate je verder van die bron weg beweegt, werden de staven progressief dunner en dunner.

Waarom werkt dit? De onderzoekers ontdekten dat het materiaal zelf een ingebouwde "geheugen" heeft van hoe ver een trilling kan reizen voordat deze vervaagt. Ze noemen dit de attenuatieafstand (verzwakkingslengte). Het is als een geluidsgolf in een mistige kamer; het geluid is hard vlak naast de spreker, maar wordt steeds zachter terwijl het door de mist reist. De computer ontdekte dat de beste manier om de energie te vangen is door al je "klei" (materiaal) precies daar te concentreren waar de trilling het luidst en het sterkst is. Als je dikke staven ver van de bron plaatst, doen ze alleen maar niets omdat de trilling al is uitgestorven tegen de tijd dat hij daar aankomt.

De "Mist"-analogie
Denk aan de trilling als een watergolf die een droge spons in stroomt. Als de spons zeer absorberend is (hoge dissipatie), wordt het water onmiddellijk opgezogen en reist het niet ver. In dit geval is het beste ontwerp om het deel van de spons dat direct aan de rand ligt superdik en dicht te maken, zodat het al het water direct opvangt. Als de spons minder absorberend is, reist het water verder, dus moet je de dikte meer verspreiden. De computer vond dat de "vorm" van de perfecte schokabsorber volledig wordt bepaald door hoe snel het materiaal de trilling van nature absorbeert.

Verrassende Regels
De studie vond ook een paar interessante eigenaardigheden. Als het materiaal trillingen heel snel stopt (een korte "attenuatieafstand"), wordt het perfecte ontwerp bijna volledig onafhankelijk van wat er aan de verre randen van het web gebeurt. Het is alsoك als je in een zeer kleine, geluiddichte kamer schreeuwt; het maakt niet uit of de muren van hout of beton zijn, omdat het geluid uitsterft voordat het ze zelfs maar bereikt. Het ontwerp geeft alleen om de directe omgeving van de bron.

Echter, als de trillingen een lange weg afleggen, moet het ontwerp heel voorzichtig zijn met hoe de randen worden vastgehouden. De onderzoekers merkten ook op dat deze "perfecte" ontwerpen een beetje lijken op de vertakkende aders in een blad of de bloedvaten in je lichaam, maar met een twist: terwijl de natuur vaak probeert om energieverlies te minimaliseren om vloeistoffen efficiënt te verplaatsen, zijn deze schokabsorbeerders ontworpen om energieverlies te maximaliseren om beweging te stoppen.

Wat dit betekent
Dit artikel zegt niet alleen: "hier is een cool ontwerp." Het biedt een nieuwe, snelle manier om deze ontwerpen te berekenen voor enorme, rommelige netwerken die voorheen te moeilijk op te lossen waren. Het suggereert dat we, om de beste trillingsdempende materialen te bouwen, niet alleen uniforme blokken of willekeurige mengsels moeten gebruiken. In plaats daarvan moeten we kijken naar hoe ver het materiaal van nature energie absorbeert en een "gradiënt"-structuur bouwen die dikker wordt precies waar de schok begint en dunner wordt naarmate je verder weg beweegt. Het is een beetje als het bouwen van een fort waar de muren het dikst zijn op de plek waar de vijand aanvalt, en dunner waar ze niet kunnen komen, om er zeker van te zijn dat elk beetje materiaal zo hard mogelijk werkt om de schok te stoppen.