Inverse Designing Reconfigurable Piezoelectric Tensors via Architectural and Modal Programming

Piëzoelektriciteit is een eigenschap die wordt aangetroffen in bepaalde materialen, waardoor ze elektriciteit kunnen omzetten in beweging, of beweging in elektriciteit. Wanneer je deze materialen samenperst, genereren ze een elektrische lading; wanneer je een elektrische lading op hen uitoefent, veranderen ze fysiek van vorm. Deze tweerichtingsrelatie is de motor achter veel moderne technologieën, van de minuscule motoren die camera-lenzen scherpstellen tot de sensoren die aardbevingen detecten en de apparaten die energie oogsten uit trillingen. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op natuurlijke kristallen om dit effect te bieden. Deze kristallen brengen echter strikte beperkingen met zich mee. Hun interne atomaire structuur bepaalt precies hoe ze kunnen bewegen en in welke richtingen, wat betekent dat een enkel stuk materiaal slechts een specifieke, vaste reeks handelingen kan uitvoeren. Als een apparaat op een complexe manier moet bewegen, moeten ingenieurs het bouwen met behulp van verschillende stukken materiaal en mechanische verbindingen, wat resulteert in volumineuze en ingewikkelde machines.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en het Italiaanse Instituut voor Kunstmatige Intelligentie heeft een manier gevonden om vrij te breken van deze natuurlijke beperkingen. In plaats van te proberen een nieuwe kristal te vinden met de perfecte eigenschappen, hebben zij een nieuw soort materiaal vanaf de basis ontworpen. Door een standaard piëzo-elektrisch keramiek in een specifieke driedimensionale roosterstructuur te rangschikken, creëerden zij een materiaal dat geprogrammeerd kan worden om in bijna elke richting te bewegen. Zij demonstreerden dat ze, door de vorm van de interne structuur te veranderen, precies konden controleren hoe het materiaal reageert op elektriciteit. Nog verrassender was dat zij ontdekten dat simpelweg het veranderen van de snelheid waarmee zij het elektrische signaal toepassen, het gedrag van het materiaal kon veranderen, waardoor het als een ander type machine fungeert zonder de fysieke vorm te veranderen. Deze aanpak stelt een enkel, compact blok materiaal in staat om complexe taken uit te voeren die voorheen een grote assemblage van afzonderlijke onderdelen vereisten.

De onderzoekers begonnen met het behandelen van het materiaal niet als een massief blok, maar als een netwerk van verbindingen. Zij representeerden de driedimensionale structuur als een graaf, waarbij de knooppunten van het materiaal punten zijn en de verbindende balken lijnen. Dit wiskundige perspectief stelde hen in staat om te zien hoe de lokale beweging van elk minuscuul balkje bijdraagt aan de totale beweging van het gehele object. In natuurlijke kristallen zijn de atomen vastgelegd in een rigide patroon dat hun flexibiliteit beperkt. In deze nieuwe structuren konden de onderzoekers de balken op duizenden verschillende manieren arrangeren. Zij ontdekten dat ze, door de geometrie zorgvuldig te ontwerpen, het materiaal konden laten rekken, buigen, draaien of afschuiven in specifieke richtingen. Zij toonden aan dat het mogelijk is om alle achttien mogelijke manieren te activeren waarop een materiaal reageert op een elektrisch veld, een bewegingsbereik dat geen enkel natuurlijk kristal kan bereiken.

Om de perfecte vorm voor een gewenste beweging te vinden, gebruikte het team een computerprogramma dat getraind is om de relatie tussen de vorm van de structuur en het fysieke gedrag te begrijpen. Zij simuleerden honderdduizenden verschillende ontwerpen en leerden een computermodel te voorspellen hoe een specifieke rangschikking van balkjes zou bewegen. Zodra het model deze verbinding begreep, konden zij achteruit werken. Ze konden tegen de computer zeggen: "We hebben een materiaal nodig dat opzij beweegt wanneer we elektriciteit toepassen," en het systeem ontwierp een unieke structuur om precies dat te doen. Dit proces, bekend als inverse design, stelde hen in staat om materialen met extreme eigenschappen te creëren, zoals een versie die drie keer meer rekt dan standaardontwerpen, of een andere die draait zonder te rekken. Zij verifieerden deze ontwerpen met gedetailleerde computersimulaties die elk balkje behandelden als een kleine, flexibele staaf die kan buigen en rekken.

Het team ontdekte ook een dynamische manier om het materiaal te besturen die verder gaat dan alleen het veranderen van de vorm. Zij ontdekten dat de respons van het materiaal sterk afhangt van de frequentie van het toegepaste elektrische signaal. Wanneer zij een traag elektrisch signaal toepasten, bewoog het materiaal op één manier, maar wanneer zij de snelheid van het signaal verhoogden om overeen te komen met de natuurlijke trilling van de structuur, veranderde de beweging volledig. Bij één frequentie kan het materiaal verticaal uitzetten en inkrimpen; bij een andere frequentie kan dezelfde input ervoor zorgen dat het draait of opzij schuift. Dit betekent dat een enkel stuk materiaal als verschillende instrumenten kan fungeren, afhankelijk van hoe snel het wordt aangedreven. De onderzoekers legden uit dat dit gebeurt omdat verschillende frequenties verschillende interne trillingspatronen binnen het rooster exciteren, waardoor de balkjes in nieuwe combinaties bewegen die specifieke soorten beweging versterken terwijl ze andere neutraliseren.

Om te bewijzen dat deze ideeën in de echte wereld werken, bouwden de onderzoekers een fysiek apparaat met behulp van een gangbaar piëzo-elektrisch keramiek genaamd PZT. Zij gebruikten een hoogwaardige 3D-printtechniek om een kleine, ingewikkelde roosterstructuur te maken ter grootte van een vingernagel. Na het printen verhitten zij het materiaal om de bindmiddelen te verwijderen en vervolgens te sinteren om de keramische deeltjes te versmelten. Ten slotte pasten zij een sterk elektrisch veld toe om de interne eigenschappen van het keramiek uit te lijnen, een proces dat poling wordt genoemd, wat het materiaal actief maakt. Zij testten het geprinte object door spanning toe te passen en de beweging te meten. De resultelingen kwamen overeen met hun voorspellingen: het apparaat kon verticaal en zijdelings bewegen, en door de spanning die op verschillende delen van de array wordt toegepast te controleren, konden zij complexe bewegingen genereren zoals kantelen en draaien.

De praktische impact van dit werk is een drastische vermindering van de grootte en complexiteit van precisie-instrumenten. De onderzoekers bouwden een prototype positioneringssysteem dat een optische vezel in vier verschillende richtingen kon bewegen, een taak die essentieel is voor het uitlijnen van componenten in geavanceerde fotonische apparaten. Een conventioneel systeem dat hetzelfde werk zou doen, zou meerdere aparte motoren en een complex pakket mechanische verbindingen nodig hebben om de beweging om te leiden, wat resulteert in een apparaat dat ongeveer veertig millimeter breed en diep is. Hun nieuwe ontwerp, dat gebruikmaakt van de programmeerbare roosterstructuur, bereikte dezelfde vier vrijheidsgraden in een blok dat slechts tien bij tien bij vijf millimeter groot is. Dit vertegenwoordigt een reductie in volume van negentig procent. Door de beweging direct in de architectuur van het materiaal te coderen, elimineerden zij de noodzaak voor de volumineuze mechanische onderdelen die normaal gesproken de beweging omleiden.

Dit werk suggereert een nieuwe weg voor engineering waarbij het materiaal zelf de machine is. In plaats van veel kleine onderdelen te assembleren om een complexe functie te creëren, kunnen ingenieurs nu een enkel blok materiaal ontwerpen dat de gehele taak uitvoert. Het vermogen om tussen verschillende modi van beweging te schakelen door simpelweg het elektrische signaal te veranderen, opent de deur naar apparaten die hun functie on the fly kunnen aanpassen. Of het nu gaat om het positioneren van delicate instrumenten, het detecteren van trillingen in meerdere richtingen, of het creëren van compacte robots, deze aanpak biedt een manier om machines kleiner, eenvoudiger en veelzijdiger te maken. De onderzoekers hebben aangetoond dat door materialen te beschouwen als programmeerbare netwerken in plaats van statische vaste stoffen, het mogelijk is om capaciteiten te ontsluiten die de natuur nooit heeft geboden, waardoor een enkel stuk keramiek wordt getransformeerd tot een herconfigureerbaar hulpmiddel voor de precisietechnologie van de toekomst.