How Does Hard Magnetic Soft Matter Deform?

Stel je een materiaal voor dat op commando kan buigen, draaien en vouwen, niet omdat het wordt aangedreven door draden of batterijen, maar omdat het reageert op een magnetisch veld. Dit is de belofte van hard-magnetische zachte materialen, een klasse substanties die de flexibiliteit van rubber combineren met de persistente magnetische kracht van zeldzame aardmagneten. Binnen deze zachte blokken bevinden zich minuscule, stijve magnetische deeltjes die een vaste magnetische richting vasthouden, vergelijkbaar met een kompasnaald die nooit vergeet waar het noorden is. Wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast, proberen deze ingebedde deeltjes zich ermee uit te lijnen, waarbij ze een draaiende kracht uitoefenen op het omringende zachte rubber. Deze interne touwtrekwedstrijd zorgt ervoor dat het gehele materiaal complexe vormen aanneemt, wat de creatie van ongebonden robots, flexibele medische instrumenten en adaptieve lenzen mogelijk maakt die van vorm kunnen veranderen zonder enige fysieke verbinding met een energiebron.

Om deze apparaten te ontwerpen, moeten ingenieurs precies kunnen voorspellen hoe het materiaal zal bewegen. Dit vereist het begrijpen van een specifieke mechanische puzzel: wanneer het zachte rubber wordt uitgerekt of vervormd, hoe draaien de stijve magnetische deeltjes dan binnenin? Het antwoord is niet voor de hand liggend. Als de deeltjes op de ene manier draaien, kan het apparaat zoals bedoeld buigen; als ze op een andere manier draaien, doet het apparaat misschien helemaal niets. Jarenlang hebben wetenschappers vertrouwd op verschillende wiskundige regels om deze rotatie te raden, maar deze regels waren vaak het oneens met elkaar, wat leidde tot tegenstrijdige voorspellingen over hoe het materiaal zich onder spanning zou gedragen. Sommige regels suggereerden dat de deeltjes simpelweg de algemene rek van het materiaal zouden volgen, terwijl anderen beargumenteerden dat ze alleen zouden draaien op basis van de richting van de rek, waarbij de vorm van de deeltjes zelf werden genegeerd.

In een nieuwe studie gepubliceerd in PNAS Nexus hebben onderzoekers dit langlopende debat opgelost door een nieuw kader vanaf de grond af aan op te bouwen. In plaats van te gokken hoe de deeltjes bewegen, berekenden zij de meest energetisch efficiënte manier waarop een stijf deeltje kan roteren binnen een uitrekkende zachte matrix. Ze behandelden het probleem als een zoektocht naar de weg van de minste weerstand, waarbij de energie die nodig is om het rubber uit te rekken wordt afgewogen tegen de energie die nodig is om het deeltje te laten roteren. Door een methode te gebruiken die interpoleert tussen de rigide beweging van het deeltje en de vloeiende rek van het omringende materiaal, hebben zij één duidelijke regel afgeleid die precies beschrijft hoe het deeltje draait. Deze nieuwe regel houdt rekening met de vorm van het deeltje en zijn initiële hoek, factoren die eerdere modellen ofwel hadden genegeerd ofwel onjuist hadden behandeld.

De onderzoekers testten hun nieuwe regel tegen computersimulaties die het materiaal in extreem detail modelleerden, waarbij ze het materiaal opdeelden in duizenden kleine punten om precies te zien hoe het vervormde. Ze ontdekten dat hun nieuwe regel met hoge nauwkeurigheid overeenkwam met deze gedetailleerde simulaties, terwijl de oudere, concurrerende regels vaak faalden. In het bijzonder toonde de studie aan dat het populaire idee dat deeltjes alleen roteren op basis van de algemene richting van de rek, fundamenteel gebrekkig is. De onderzoekers demonstreerden dat als een deeltje de vorm van een ellips heeft in plaats van een cirkel, en onder een bepaalde hoek staat, het aanzienlijk zal draaien zelfs wanneer het materiaal simpelweg in een rechte lijn wordt getrokken. De oudere modellen, die ervan uitgingen dat het deeltje in een dergelijk scenario niet zou draaien, voorspelden dat het materiaal statisch zou blijven, waardoor ze de essentie van hoe deze magnetische apparaten werken volledig misten.

Een van de meest significante bevindingen is dat de conflicterende modellen die wetenschappers in het verleden gebruikten, niet in elke situatie fout zijn; ze zijn slechts speciale, beperkte versies van deze nieuwe, meer algemene regel. Wanneer de magnetische deeltjes perfect rond zijn, of wanneer het materiaal op een zeer specifieke manier wordt uitgerekt, vereenvoudigt de nieuwe regel zich zodanig dat deze overeenkomt met de oudere voorspellingen. Echter, voor het overgrote deel van de werkelijke vormen en hoeken vallen de oudere regels door de mand. De nieuwe benadering onthult dat de vorm van het deeltje net zo belangrijk is als de kracht die erop wordt uitgeoefend. Een lang, dun deeltje zal heel anders reageren dan een rond deeltje, en de nieuwe formule legt dit verschil precies vast. Dit betekent dat ingenieurs nu met veel meer vertrouwen zachte robots kunnen ontwerpen, wetende hoe de interne magnetische deeltjes zich precies zullen oriënteren terwijl het apparaat beweegt.

De studie benadrukte ook een kritiek falen van de oudere modellen bij toepassing op realistische scenario's. In een test waarbij een magnetisch veld werd toegepast op een materiaal met gekantelde, elliptische deeltjes, voorspelden de oudere modellen dat het materiaal helemaal niet zou bewegen, wat in feite suggereerde dat de magnetische kracht geen effect had op de vorm. Het nieuwe model voorspelde echter correct dat het materiaal zou vervormen en draaien, wat overeenkomt met de fysieke realiteit dat magnetische krachten beweging moeten veroorzaken. Dit onderscheid is van vitaal belang voor de toekomst van de zachte robotica. Als een ontwerper een model gebruikt dat geen beweging voorspelt, bouwt hij wellicht een apparaat dat nooit geactiveerd wordt. Door gebruik te maken van de nieuwe, nauwkeurigere regel, kunnen ontwerpers apparaten creëren die betrouwbaar magnetische energie omzetten in complexe, gecontroleerde beweging, wat de deur opent naar meer geavanceerde en capabele zachte machines voor medische toepassingen en exploratie.

Uiteindelijk biedt dit werk een verenigde manier om te begrijpen hoe hard-magnetische zachte materie vervormt. Het vervangt een verzameling tegenstrijdige gokken door een enkele, op natuurkunde gebaseerde wet die werkt over een breed scala aan vormen en omstandigheden. De onderzoekers lieten zien dat door te focussen op de energiebalans tussen het uitrekkende rubber en het roterende deeltje, zij een gesloten uitdrukking konden afleiden die de beweging van de magnetische insluitingen voorspelt. Deze uitdrukking is eenvoudig genoeg om te worden gebruikt in ontwerpprogramma's, maar accuraat genoeg om overeen te komen met gedetailleerde computersimulaties. Het resultaat is een duidelijkere weg voorwaarts voor het creëren van de volgende generatie draadloze, programmeerbare zachte apparaten, waarbij wordt gewaarborgd dat de materialen die we bouwen zich precies zo gedragen als wij willen wanneer het magnetische veld wordt ingeschakeld.