Medicinsk udstyr og andre apparater omkring dig kan snart komme til at bestå af intelligente materialer, der kan skifte form med teknikker kendt fra den japanske papirfoldekunst origami.
Kinesiske forskere har nemlig opfundet et ny type polymer, der folder sig selv til den ønskede form, når materialet bliver udsat for en relativt lille temperaturstigning.
Det særlige ved deres gummiagtige materiale er, at man kan vride, strække eller præge det samme stykke igen og igen, så det kan folde sig på helt nye måder – vel at mærke uden at omstøbe det.
Et fladt stykke af materialet kan således præges med et origami-mønster, så det kan folde sig til en fuglefigur – og tilbage igen. Ved at præge materialet yderligere, kan fuglen folde sig selv på en ny måde og blive til en båd. På samme måde kan båden blive til en vindmølle. Og sådan kan man blive ved utallige gange med det samme stykke. Se selv i videoen foroven.
Dansk forsker: Hvorfor fik jeg ikke den idé?
»Vores system gør det muligt at manipulere med polymer-figurer på måder, som stort set kun fantasien sætter grænser for. Vores arbejde bør føre til talrige muligheder for fremtidige innovationer med formskiftende polymerer,« skriver de kinesiske forskere i den videnskabelige artikel om opfindelsen, der netop er offentliggjort i tidsskriftet Science Advances.
Kinesernes fremgangsmåde er både smart og ganske simpel, vurderer kemiingeniør Anne Ladegaard Skov, der selv forsker i polymerer, men som ikke har været involveret i den nye opdagelse.
»Det er sådan et studie, hvor man sidder med tanken: Hvorfor fik jeg ikke den idé? Når man sidder med den tanke, ved man bare, at det er så simpelt og fornuftigt, at det er brugbart. Godt arbejde,« siger Anne Ladegaard Skov, der er lektor ved Institut for Kemiteknik på Danmarks Tekniske Universitet.
Usædvanlig kombination af to egenskaber
Kineserne kobler med det nye materiale to normalt helt adskilte egenskaber – plasticitet og elasticitet.
-
Plasticitet er et materiales evne til at antage en ny permanent form, når det bliver påvirket af spændinger. Det sker for eksempel, når vi former ler.
- Elasticitet gør, at et materiale midlertidigt kan ændre form under en kraftpåvirkning, men at materialet vender tilbage til sin permanente form, når belastningen forsvinder. Det kender vi fra gummibånd.
Det er det nye materiales plasticitet, som forskerne udnytter ved eksempelvis at stemple overfladen med et bestemt mønster. Mønsteret afgør, hvordan materialet skal folde sig. Mønsteret er altså origami-opskriften, som materialet er programmeret til at følge.
Når den permanente form er fastlagt, er det materialets elasticitet, der får materialet til at folde sig. Det sker, når temperaturen stiger, hvorefter materialet folder sig tilbage til sin permanente form, når temperaturen falder igen.
»De to teknikker er velkendte, men de er lykkedes rigtig godt med at få lavet et materiale, der kan kombinere teknikkerne. Så det er egentlig ret sejt,« siger Anne Ladegaard Skov.
Materialet er let at arbejde med
Denne type polymer, der kan folde sig på forudbestemte måder, kaldes på engelsk en ’shape memory polymer’.
Konventionelt kræver disse polymerer, at man nedsmelter og omstøber dem, hvis de skal have en ny permanent form og kunne folde sig på en ny måde.
Nedsmeltningen gør dog, at materialet mister sin gamle permanente form. Med det nye materiale, der ikke skal nedsmeltes, bevarer materialet sin gamle permanente form, som man kan arbejde videre med og derved skabe meget avancerede figurer.
Materialet er også meget robust, så det kan folde sig ud og ind mange gange, uden at det tager skade.
Desuden er det langt mere simpelt at arbejde med det nye materiale end konventionelle shape memory polymerer, hvilket baner vejen for, at materialet kan blive brugt i apparater.
Intelligent materiale uden elektronik
Vi har tidligere skrevet om, at apparater, der kan skifte form efter origami-opskrifter, bliver en del af fremtidens teknologi. Eksempelvis har forskere skabt en robot, der kan samle sig selv.
I den slags apparater vil det være nyttigt med såkaldt smarte eller intelligente materialer, der kan folde sig. Typisk afhænger sådanne materialer af elektronik, der styrer, hvad materialet skal gøre. Men kinesernes materiale kræver blot en smule varme for at opføre sig som ønsket.
»Vi begynder at nærme os der, hvor vi faktisk kan have materialer, der agerer uden styresystemer og sådan noget. Man begynder at kunne have ren og skær polymerbaserede produkter med en vis form for intelligens,« siger Anne Ladegaard Skov.
Konceptet kan bruges i robotter og blodårer
De kinesiske forskere forestiller sig, at deres koncept kan bruges til at udvikle ny teknologi inden for mange områder, eksempelvis luftfart og biomedicinsk udstyr.
Anne Ladegaard Skov nævner, at robotter og droner kan blive lettere, hvis de består plastikmaterialer, der kan opføre sig intelligent uden at blive styret af elektronik.
På hospitaler kan en lille strimmel af formskiftende polymer blive indført i blodåren på en patient med en blodprop. På grund af kropsvarmen vil strimlen folde sig ud og blive til et rør, der udvider blodåren.
I første omgang regner hun dog med, at den slags materialer vil blive brugt som temperatursensorer, der kan åbne og lukke for systemer.
»I radiatorer har man for eksempel elektronik, der måler temperaturen. Men man kunne jo bare have plastik, der laver en åbne- og lukke-mekanisme, når radiatoren når en given temperatur. Så har du slet ikke noget med, at du skal have et batteri på din radiator, og du behøver heller ikke at have noget avanceret teknik, der styrer temperaturen. Åbne-lukke-mekanismen vil jeg tro, at vi meget snart kommer til at se i rigtige produkter,« siger Anne Ladegaard Skov.
