Materiaalkundigen van Carnegie Mellon University in de VS hebben een buigzaam en geleidend materiaal zo aangepast dat het zelfhelend is. Toen ze in proeven flinke schade aan het materiaal toebrachten, herstelde dat zichzelf, waardoor de elektrische geleidbaarheid hoog bleef.

De crux van dit robuuste materiaal is hoe het is opgebouwd. Het bestaat namelijk uit een matrix van elastomeer met daarin druppeltjes van vloeibaar metaal. Als er een beschadiging optreedt, raken de druppeltjes in een geleidende baan los van elkaar, maar ontstaan er tegelijkertijd weer nieuwe baantjes van druppeltjes die elkaar raken (zie figuur hieronder).
 

 

In een gisteren verschenen paper in vakblad Nature Materials beschrijven de onderzoekers dat dit principe werkt bij verschillende soorten schade. Eerst stansten ze ronde gaatjes uit een geleidend baantje, waarna de elektrische geleiding toch behouden bleef. Maar ook bij krassen met een scherp mesje loodrecht op het geleidende baantje liep de elektrische weerstand (het omgekeerde van elektrische geleidbaarheid) maar een klein beetje op.

Ook wanneer het materiaal flink wordt uitgerekt, blijft het goed stroom geleiden; en ook dat is wel zo handig voor gebruik in zachte robots. Banen die elektrische stroom geleiden, kunnen maar beter niet onderbroken worden, omdat ze meestal zorgen voor de stroomvoorziening of datavoorziening voor cruciale onderdelen.


Robotje

De onderzoekers demonstreerden hun materiaal met behulp van een eenvoudig lopend robotje. Deze zogeheten quadruped beweegt op vier pootjes die afzonderlijk worden aangestuurd door een kleine microprocessor. Van deze eenvoudige computer lopen voor dit doel vier geleidende banen naar de pootjes. In de demonstratie doorboorden de onderzoekers eerst een van deze geleidende spoortjes, en vervolgens een ander.


 

Tijdreeks waarin van boven te zien is hoe een eenvoudig robotje loopt op zijn vier voetjes. In stap 2 knipt een onderzoeker een gaatje in een van de geleidende spoortjes. In stap 3 doet hij hetzelfde in een ander spoortje. De beelden laten zien dat het robotje gewoon doorloopt in dezelfde richting, ondanks de aanzienlijke schade aan cruciale onderdelen. Het zelfhelende materiaal doet zijn werk.


Opvallend genoeg bleef het robotje gewoon doorlopen in dezelfde richting waarin hij liep. Volgens de onderzoekers is dit te danken aan het feit dat het geleidende materiaal zichzelf snel herstelde, zodat de elektrische geleidbaarheid op peil bleef.
 

Zachte robotica

De onderzoekers verwachten dat hun nieuwe, robuuste materiaal kan worden toegepast in de zachte robotica (bijvoorbeeld een robot die mensen redt bij een ramp), mens-machine-interfaces en draagbare elektronica (bijvoorbeeld een meetapparaatje op een atleet die tot het uiterste gaat). ‘Als we machines willen bouwen die beter passen bij het menselijk lichaam en de natuur, dan moeten we nieuwe materialen ontwikkelen’, zegt universitair docent Carmel Majidi van de faculteit Werktuigbouwkunde van de Carnegie Mellon University in een persbericht.
 

Turbinebladen en beton

Het nieuwe buigzame materiaal van de Amerikanen past in een reeks zelfhelende materialen die de afgelopen jaren zijn ontwikkeld en waar ook Nederlandse wetenschappers mee bezig zijn. Zo werken ze bij de TU Delft aan zelfhelende coatings voor de turbinebladen van vliegtuigmotoren (lees: ‘Scheur repareert zichzelf’). En eveneens uit Delft komt het zelfhelende beton dat al in een paar projecten is gebruikt (lees: ‘Bluswaterbassin van zelfhelend beton’). En uit Japan komt een keihard polymeer dat geschikt is om het scherm van smartphones mee te bedekken; lees ‘Scherm smartphone herstelt zichzelf’.

Beeldmateriaal: Markvicka et al., Nature Materials, 2018.