ENGINEERINGNET.BE - Een eenvoudig voorbeeld van een niet-oriënteerbaar object is een möbiusband, die is te maken door aan een strook materiaal een halve draai te geven en de uiteinden aan elkaar te lijmen. De draai maakt het hele oppervlak tot één geheel.
Natuurkundigen van de Nederlandse Universiteit van Amsterdam en het Franse ENS de Lyon realiseerden zich dat deze niet-oriënteerbaarheid een sterke invloed heeft op hoe een object of metamateriaal reageert op duwen of knijpen.
Bij druk van bovenaf op een möbiusband kun je zien dat de niet-oriënteerbaarheid ervoor zorgt dat er altijd een punt langs de band is waar deze niet vervormt onder druk.
Het gedrag van niet-oriënteerbare objecten, zoals möbiusbanden, stelden de onderzoekers in staat stelt om materialen te beschrijven die 'gefrustreerd' zijn. Ze willen van nature geordend zijn, maar iets in hun structuur verbiedt de orde om het hele systeem te omvatten en dwingt het geordende patroon om op één punt of lijn in de ruimte te verdwijnen.
Het team ontwierp en 3D-printte mechanische metamateriaalstructuren die hetzelfde gedrag vertonen als möbiusbanden, zoals ringen van vierkanten die verbonden zijn met scharnieren op hun hoeken.
Ringen die bestaan uit een oneven aantal vierkanten zijn gefrustreerd, omdat het onmogelijk is alle aangrenzende vierkanten in tegengestelde richtingen te draaien. Samengeknepen oneven ringen vertonen daarom een niet-oriënteerbare orde, waarbij de rotatiehoek op één punt langs de ring naar nul moet gaan.
Omdat dit een kenmerk is van de algehele vorm van het materiaal, is het een robuuste topologische eigenschap. Door meerdere metaringen aan elkaar te koppelen, is het zelfs mogelijk om het gedrag van hoger-dimensionale topologische objecten na te bootsen.
Het hebben van een noodzakelijke punt of lijn zonder vervorming is de sleutel om materialen een mechanisch geheugen te geven. In plaats van het van alle kanten indrukken van een metamateriaalring, kun je de ring ook op verschillende punten indrukken.
Daarbij bepaalt de volgorde waarin je op verschillende punten drukt waar het punt of de lijn zonder vervorming terechtkomt.
Dit is een vorm van informatieopslag. Het is bruikbaar om sommige soorten logische poorten, de basis van ieder computeralgoritme, uit te voeren.
Niet-oriënteerbaarheid kan zo een ontwerpprincipe zijn voor metamaterialen die informatie op verschillende schalen effectief opslaan. Bijvoorbeeld om robotarmen te maken met voorspelbare buig- en voortbewegingsmechanismen.
