تغییر شکل با فشار یک دکمه

3 ژانویه 2023 -توسط ایلکا بلاوث، فراونهوفر-گسلشافت

بالا: سفتی و تغییر شکل را می توان با الگوبرداری از یک فیلم به صورت محلی تنظیم کرد. زیر: انباشتن فویل ها با ارتفاع های مختلف امکان ایجاد یک ماده قابل برنامه ریزی را فراهم می کند. اعتبار: Fraunhofer ICT

مواد قابل برنامه ریزی، شکل دهنده های واقعی هستند. آنها می توانند ویژگی های خود را به روشی کنترل شده و برگشت پذیر با فشار یک دکمه تغییر دهند و به طور مستقل با شرایط جدید سازگار شوند. از آنها می توان به عنوان مثال برای ساختن صندلی ها یا تشک های راحت استفاده کرد که از زخم بستر جلوگیری می کند. برای تولید این ها، تکیه گاه به گونه ای شکل می گیرد که سطح تماس آن بزرگ باشد که در نتیجه فشار وارد بر قسمت هایی از بدن کاهش می یابد.

این نوع مواد قابل برنامه‌ریزی توسط محققان در CPM Fraunhofer Cluster of Excellence Materials Programmable Materials ساخته می‌شود که قصد دارند آن را با کمک شرکای صنعتی به بازار بیاورند. یکی از اهداف آنها کاهش استفاده از منابع است.

بسیاری از مردم در سرتاسر جهان در بستر هستند – چه به دلیل بیماری، تصادف یا کهولت سن. از آنجایی که افراد مبتلا اغلب نمی توانند به تنهایی حرکت کنند یا به طرف دیگر بدن برگردند، اغلب با زخم بستر بسیار دردناکی مواجه می شوند. در آینده، باید با کمک موادی که می‌توانند طوری برنامه‌ریزی شوند که فرم و خواص مکانیکی آن‌ها را کاملاً تطبیق دهند، از زخم بستر جلوگیری شود.

به عنوان مثال، تکیه گاه بدن تشک های ساخته شده از مواد قابل برنامه ریزی را می توان در هر ناحیه ای با فشار دادن یک دکمه تنظیم کرد. علاوه بر این، لایه پشتیبان به گونه ای شکل می گیرد که فشار قوی روی یک نقطه می تواند در سطح وسیع تری توزیع شود. مناطقی از تخت که در آن فشار وارد می شود به طور خودکار نرم تر و کشسان تر می شوند. مراقبان همچنین می‌توانند وضعیت خوابیدن ارگونومیک را به بهترین نحو تنظیم کنند.

مواد و ریزساختار

موادی برای کاربردهایی که نیاز به تغییرات خاصی در سفتی یا شکل دارند توسط محققان Fraunhofer CPM که از شش مؤسسه اصلی با هدف طراحی و تولید مواد قابل برنامه ریزی تشکیل شده است، در حال توسعه هستند. بنابراین، چگونه می توانیم مواد را برنامه ریزی کنیم؟

دکتر هایکو آندرا، سخنگوی این موضوع در موسسه Fraunhofer برای ریاضیات صنعتی ITWM، یکی از موسسات اصلی Fraunhofer CPM.توضیح می‌دهد: «در اصل، دو حوزه کلیدی وجود دارد که می‌توان تنظیمات را انجام داد: مواد پایه – پلیمرهای ترموپلاستیک در مورد تشک‌ها و آلیاژهای فلزی برای کاربردهای دیگر، از جمله آلیاژهای حافظه‌دار شکل – و به طور خاص، ریزساختار.

ریزساختار این فرامواد از سلول های واحد تشکیل شده است که از عناصر ساختاری مانند تیرهای کوچک و پوسته های نازک تشکیل شده است. در حالی که اندازه هر سلول واحد و عناصر ساختاری آن در مواد سلولی معمولی، مانند فوم‌ها، به‌طور تصادفی متفاوت است، سلول‌های موجود در مواد قابل برنامه‌ریزی نیز متغیر هستند – اما می‌توانند دقیقاً تعریف شوند، یعنی برنامه‌ریزی شوند.

برای مثال می توان این برنامه ریزی را به گونه ای انجام داد که فشار روی یک موقعیت خاص منجر به تغییرات خاصی در سایر نواحی تشک شود، به عنوان مثال، اندازه سطح تماس را افزایش داده و از نواحی خاصی از بدن پشتیبانی بهینه می کند. مواد همچنین می توانند به دما یا رطوبت واکنش نشان دهند.

تغییر شکلی که ماده باید نشان دهد و محرک هایی که به آنها واکنش نشان می دهد – تنش مکانیکی، گرما، رطوبت یا حتی یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی – را می توان با انتخاب ماده و ریزساختار آن تعیین کرد.

“مواد قابل برنامه ریزی اجازه می دهد تا محصولات را با برنامه یا شخص خاص تطبیق دهند به طوری که آنها چند منظوره تر از قبل باشند. به این ترتیب، نیازی به تعویض آنها نیست. فرانزیسکا ونز، معاون سخنگوی مؤسسه مکانیک مواد IWM فراونهوفر، یکی دیگر از مؤسسه‌های اصلی Fraunhofer CPM، می‌گوید. این همچنین می تواند ارزش افزوده ای ایجاد کند که به موجب آن محصولات با نیازهای فردی کاربران سازگار می شوند.

یک تکه ماده می تواند جای کل سیستم های حسگرها، تنظیم کننده ها و محرک ها را بگیرد. هدف Fraunhofer CPM کاهش پیچیدگی سیستم ها با ادغام قابلیت های آنها در مواد و کاهش تنوع مواد است. Wenz می گوید: “ما همیشه هنگام توسعه مواد قابل برنامه ریزی، محصولات صنعتی را در نظر داریم. به این ترتیب، فرآیندهای تولید انبوه و خستگی مواد را از جمله موارد دیگر در نظر می گیریم.”

پروژه های آزمایشی اولیه با شرکای صنعتی نیز در حال انجام است. تیم تحقیقاتی انتظار دارد که در ابتدا، مواد قابل برنامه ریزی به عنوان جایگزینی برای اجزای سیستم های موجود عمل کنند یا در کاربردهای خاص مانند تشک های پزشکی، صندلی های راحت، زیره های کفش میرایی متغیر و لباس های محافظ استفاده شوند. آندره می گوید: «به تدریج، نسبت مواد قابل برنامه ریزی مورد استفاده افزایش خواهد یافت. در نهایت، آنها را می توان در همه جا مورد استفاده قرار داد – از دارو و کالاهای ورزشی گرفته تا روباتیک نرم و حتی تحقیقات فضایی.