ENGINEERINGNET.BE - De eigenschappen van metamaterialen worden bepaald door de geometrie van de structuur waaruit ze zijn opgebouwd. Onderzoekers ontwerpen deze structuren digitaal en laten ze vervolgens 3D-printen.
De resulterende metamaterialen kunnen onnatuurlijke en extreme eigenschappen vertonen. Er zijn bijvoorbeeld metamaterialen ontworpen die, ondanks dat ze solide zijn, zich gedragen als een vloeistof.
"Vertel ons wat je als eigenschappen wilt hebben en wij ontwikkelen een geschikt materiaal met die eigenschappen. Wat je dan krijgt, is niet echt een materiaal, maar iets dat het midden houdt tussen een structuur en een materiaal", zegt hoogleraar Amir Zadpoor van TU Delft.
Zo'n ontdekkingsproces van materialen vereist het oplossen van een zogenaamd omgekeerd probleem: het probleem van het vinden van de geometrie die de gewenste eigenschappen oplevert.
Deze inverse problemen zijn berucht vanwege hun moeilijkheid, en dat is waar AI om de hoek komt kijken. Onderzoekers van de TU Delft hebben daartoe deep learning-modellen ontwikkeld.
"We kunnen nu dus simpelweg vragen: hoeveel bouwstenen kun je met jouw productietechniek in het apparaat verwerken?", aldus mede-onderzoeker Helda Pahlavani. "Het model vindt vervolgens de geometrie die de gewenste eigenschappen geeft voor het aantal bouwstenen dat je daadwerkelijk kunt maken."
"Onze tool selecteert ook de meest duurzame ontwerpen uit een grote pool van ontwerpkandidaten. Dit maakt onze ontwerpen echt praktisch en niet alleen tot theoretische avonturen”, zegt Zadpoor.
De mogelijkheden van metamaterialen lijken eindeloos, maar het volledige potentieel is nog lang niet benut, zegt universitair docent Mohammad J. Mirzaali.
Dit komt doordat het vinden van het optimale ontwerp van een metamateriaal op dit moment nog grotendeels gebaseerd is op intuïtie, gepaard gaat met vallen en opstaan en daardoor arbeidsintensief is.
Het gebruik van een omgekeerd ontwerpproces, waarbij de gewenste eigenschappen het uitgangspunt van het ontwerp vormen, is nog steeds zeldzaam binnen het metamateriaalveld.
"Maar we denken dat de stap die we hebben gezet, revolutionair is voor metamaterialen. Het kan tot allerlei nieuwe toepassingen leiden." De onderzoekers zien mogelijke toepassingen in orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten, zachte robots, adaptieve spiegels en exo-skeletten.
