Auxettiset materiaalit ovat laajasti käytössä. Edistyneet algoritmit tekevät niiden luomisesta helpompaa

Auxettiset materiaalit kutistuvat ja laajenevat poikittaisessa suunnassa, kun niihin kohdistetaan aksiaalista puristusta tai venytystä. Ne reagoivat tavalla, joka on vastoin tavallisten elastisten materiaalien intuitiota, ja siksi ne osoittavat negatiivisen Poissonin suhteen. Tämä suhde mittaa muodonmuutosta suunnassa, joka on kohtisuorassa kohdistettua voimaa vastaan. Toisin kuin tavalliset elastiset materiaalit, auxettiset materiaalit puristuksen yhteydessä ohentuvat suunnassa, joka on kohtisuorassa kohdistettua voimaa vastaan. 

Nämä materiaalit ovat nousseet suosituiksi viimeisten vuosikymmenten aikana hyödyllisten ominaisuuksiensa, kuten hyvän murtumankestävyyskyvyn, korkean upotus- ja iskunkestävyyden, leikkausmoduulin, hyvän energian absorptio-kyvyn, synklastisen muodonmuutoksen ja korkean poikittaisen venymän, ansiosta. Niillä on myös korkea kestävyys naarmuja vastaan ja erinomainen pinnan isotropia. 

Kaikki nämä ominaisuudet ovat rikastuttaneet auxettisia materiaaleja, varmistaen niiden laajan käyttökelpoisuuden. Seuraavissa osioissa tarkastelemme joitakin tällaisia käyttötapauksia lääketieteen ja terveydenhuollon, ajoneuvotekniikan, suojatekniikan, vaatetustekniikan ja muiden alojen aloilla. 

Auxettiset materiaalit terveydenhuollossa ja lääketieteellisissä tieteissä

Korkeatiheistä auxettista polyeteeniä käytetään kehitettäessä keinotekoisia nikamavälilevyjä selkärangan leikkauksiin. Nämä levyt voivat taipua ja kiertyä ja mahdollisesti tarjota parannettua biomekaanista suorituskykyä perinteisiin levynkorvausratkaisuihin verrattuna. Niiden auxettiset ominaisuudet estävät pullistumia, jotka voisivat vahingoittaa ympäröiviä hermopäätteitä, jolloin levy voi täydellisesti jäljitellä luonnollisen lannerangan nikamavälilevyn käyttäytymistä.

Auxettinen pedikelikruunu esitettiin myös parantamaan biomekaanista vuorovaikutusta ympäröivän luun ja ruuvin välillä, erityisesti selkärankaa varten. 

Tutkimus auttoi myös tutkijoita kehittämään auxettisen geometrisen sepelstentin, joka perustuu 316L-luokitteiseen lääketieteelliseen ruostumattomaan teräkseen. Tämä stentti voi laajentua sekä säteittäisesti että pitkittäisesti ja sitä voidaan optimoida tietylle halkaisijalle ja verisuonen pituudelle tietyn lumen tilavuuden luomiseksi, minimoiden stentin negatiivisen vaikutuksen verisuonen seinämään.

Auxettisia materiaaleja on myös todistettu hyödyllisiksi muissa lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten lonkkaproteesien varressa, pitkien luiden kiinnityksessä, sydänlaudoissa, nielurisakokeissa, ortopedisissa sisäpusseissa ja muissa. Ne ovat arvokkaita myös kudosinsinöörinnässä sekä rakenteiden ja kalvojen valmistuksessa in-vitro-laitteille.  

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten kehittyvä lisäainevalmistus avaa tietä pehmeälle robotiikalle.

Auxettiset materiaalit ajoneuvotekniikassa

Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että auxettiset materiaalit ja rakenteet voivat tarjota ylivoimaisen suunnittelumenetelmän, joka parantaa perinteisten ohutseinisten putkipuskureiden ja energian absorboivia laatikoiden energian absorptiokykyä.

Näillä rakenteilla olisi suurempi jäykkyys, energian absorptiokyky keskinopeiden törmäysten aikana ja pidempi puskuriaika energian absorptiolle törmäyksen ja matkustajien kiihtyvyys‑hidastuvuusprosessin aikana. Ne myös sijoittuvat korkealle energian absorptiokapasiteetin, energian absorptiotehokkuuden ja muiden suorituskykyindeksien osalta.

Yksi alalla toimiva tutkija ehdotti erityisesti puskuria, joka koostui auxettisesta sandwich-palkkirakenteesta ja energian absorboivasta lohkosta, optimoituna monen tavoitteen algoritmilla, mikä paransi ajoneuvon etutörmäyssuojavuutta. 

Auxettiset materiaalit suojatekniikassa

Auxettisten rakenteiden käyttö suojatekniikassa syntyi niiden korkean energian absorptiokyvyn, parantuneen upotuspuristuslujuuden ja vahvistetun leikkauslujuuden vuoksi.

Tutkimus auttoi löytämään auxettisia hunajakennorakenteisia sandwich-paneelirakenteita, jotka voivat suojata raudoitettua betonirakennetta vakavasta iskusta ja läheisistä räjähdyslasteista.

Lisäksi sylinterimäiset sandwich-paneelit auxettisella vaikutuksella omaavat vahvemmat räjähdyssuojaukset, ja niitä voitaisiin käyttää tehokkaasti suunnittelemaan kestäviä lentokoneen kuoria, avaruusaluksia, sukellusveneiden runkoja, polttoainesäiliöitä, kivikaivosluolia ja muita kaarevia rakenteita. 

Auxettiset materiaalit vaatetustekniikassa

Auxettisten materiaalien poikittainen laajeneminen kuormituksen alla auttaa muodostamaan kaksoiskaaria taivutuksen aikana. Tämä ominaisuus mahdollistaa näistä materiaaleista valmistettujen vaatteiden sopeutumisen ihmisen kehon muuttuviin muotoihin liikkeen aikana. Tutkimukset osoittavat, että auxettinen kangas raskaanaikaisessa vaatteessa aiheuttaa alhaisempaa stressikeskittymistä perinteisiin vastineisiin verrattuna. Se on myös mukava käyttää. 

Tämä laaja sovellusalue on johtanut auxettisten materiaalien kysynnän voimakkaaseen kasvuun. Tämän kasvavan kysynnän täyttämiseksi tutkijat ovat kehittäneet kolmen askeleen reseptin auxettisten materiaalien suunnitteluun tilauksesta. 

Kolmen askeleen menettely auxettisten materiaalien luomiseksi tilauksesta

Tutkijat National Institute of Standards and Technology (NIST) -laitoksessa ja Chicagon yliopistossa ovat tehneet määrätietoisen työn nopeuttaakseen auxettisten tuotteiden markkinoille tuloa. 

Tarkemmin sanottuna nämä tutkijat ovat kehittäneet algoritmisia työkaluja, jotka auttavat auxettisten tarkassa kolmiulotteisessa suunnittelussa. Tutkimuksen yhteiskirjoittajan, NIST:n materiaalitutkimusinsinööri Edwin Chanin, mukaan:

“Voimme itse asiassa optimoida materiaalin niin, että sillä on juuri ne mekaaniset ominaisuudet ja käyttäytyminen, joita haluamme.”

Tutkijat ovat esittäneet maailmalle yhtenäisen kehyksen kaksidimensionaalisten täydellisten auxettien kuvaamiseksi. Tämä esitys on seurausta laajemmasta oivalluksesta, että täydellisen auxettisen rajan ymmärtäminen ja hallinta voisi mahdollistaa realististen auxettien rationaalisen suunnittelun räätälöidyllä geometrisella rakenteella, jossa Poissonin suhde pysyy negatiivisena.

Käsitellessään tutkimuksensa suurempaa merkitystä, tutkijat totesivat seuraavaa:

“Teoriamme ei ainoastaan yhdistä laajaa luokkaa olemassa olevia auxetteja, mukaan lukien aiemmat auxettiset jäykät yksikköjärjestelmät, vaan se myös mahdollistaa niiden moninaisten uusien geometrioiden luomisen, mukaan lukien melko harvinainen isotrooppinen auxettinen materiaali.”

Koska tutkijat olivat kiinnostuneita täydellisten auxettien käyttäytymisen ymmärtämisestä, he käyttivät minimaalista kaksidimensionaalista mallia pyöriville yksiköille. Yksiköt koostuivat sarjasta nollapituuksisia jousia yhdistetyistä monikulmioista. Jokaisella jäykällä yksiköllä oli kolme vapausastetta: kaksi translaatiota ja yksi rotaatio. Tämä malli auttoi havaitsemaan auxettisen löysän tilan syntymisen ja toi elastisuutta materiaaleihin, jotta epäihanteellisia skenaarioita voitaisiin myös tutkia. 

Tieteellisen tutkimuksen tulos oli resepti, joka auttaisi rakentamaan täydellisiä auxetteja. Se vaatisi kolme ainesosaa:

• Bipartite-verkko, joka mahdollistaisi yksiköiden vastapyörimisen toisiaan vastaan.
• Alkuvaiheessa ja lepotilassa jokaisen vierekkäisen monikulmion paikkavektorin ja niiden välisten kärkipisteiden on oltava kollineaarisia.
• Verkossa etäisyyden suhde monikulmion ja yhden sen kärjen välillä sekä naapurin etäisyyden samaan kärkeen on oltava vakio.

Tutkijat korostavat, että heidän teoriansa ainutlaatuisuus piilee siinä, että se ei rajoitu pelkästään hilakoihin, vaan sitä voidaan soveltaa suoraan epäjärjestäytyneisiin verkkoihin. Tämä mahdollistaa ensimmäisten isotrooppisten täydellisten auxettisten materiaalien rakentamisen. Tutkijat ovat myös hyödyllisiä siinä, että heidän teoriansa voitaisiin laajentaa 3D-polyedrisiksi materiaaleiksi.

Vaikka tämä tutkimus on läpimurto, auxettisten materiaalien kehitys on jatkunut jo pitkään. Seuraavissa osioissa tarkastelemme yrityksiä, jotka ovat tehneet uraauurtavaa työtä niiden parissa.

#1. Nike

Yksi johtavista brändeistä, joka on tehnyt kehittynyttä työtä auxettisten rakenteiden parissa, on Nike. Niken patentti nro US9402439B2 käsittelee auxettisia rakenteita, jotka helpottavat pohjien rakentamista auxettisilla rakenteilla. 

Yleensä jalkineet koostuvat vähintään kahdesta pääkomponentista:

• Yläosa, joka tarjoaa sulun käyttäjän jalan vastaanottamiseen
• Pohja, joka on kiinnitetty yläosaan ja toimii ensisijaisena kosketuspintana maahan tai pelialustaan

Pohja voi sisältää kolme alasegmenttiä: sisäpohja, väli- ja ulkopohja. Niken patentoidussa jalkineessa vähintään yksi pohjan kerros on valmistettu auxettisesta rakenteesta. Sitä kutsutaan auxettiseksi kerrokseksi. 

Juoksu, kääntyminen, hyppy tai kiihdytys näissä kengissä asettaa auxettisen kerroksen lisääntyneen pitkittäisen tai sivuttaisen jännityksen alaiseksi, kasvattaen sen pituutta ja leveyttä. Näin se tarjoaa parannetun pidon ja absorboi osan pelialustan iskusta.

Nike uskoo, että nämä kengät voivat olla hyödyllisiä monenlaisissa urheilu- ja vapaa‑ajan aktiviteeteissa, mukaan lukien tennis ja muut mailapelit, kävely, hölkkä, juoksu, vaellus, käsipallo, harjoittelu, juoksu tai kävely juoksumatolla sekä joukkueurheilulajit kuten koripallo, lentopallo, lacrosse, kenttäkoripallo ja jalkapallo.

Koko tilikaudelle 2023, Nike raportoi liikevaihdoksi 51,2 miljardia Yhdysvaltain dollaria, 10 % enemmän kuin edellisvuonna ja 16 % enemmän valuuttaneutraalina. 

#2. Airbus

Airbus Defence and Space on saanut patentin muokattavasta auxettisesta rakenteesta ja valmistusprosessista. Keksintö pyrkii tarjoamaan kevyttä suojaa korkea‑energiaisilta iskuilta lentokoneiden runkoihin ja järjestelmiin yhden integroidun sandwich‑paneelin avulla, joka hyödyntää kaksidimensionaalista auxettista käyttäytymistä paneelin pinnan kahdessa suunnassa. 

Airbus ehdottaa, että tällainen suoja olisi erittäin hyödyllinen vahvasti integroiduissa takamoottorikäyttöisissä lentokonekonfiguraatioissa, mukaan lukien Open‑Rotor‑ tai Boundary‑Layer‑Ingestion‑arkkitehtuurit. Näissä konfiguraatioissa suojatoimenpiteet (suojat) ovat tarpeen turvallisuushuolten vuoksi korkea‑energiaisten iskujen varalta runkoon, jotka aiheutuvat potkurin lapojen irtoamisesta (PBR) ja moottorin roskista (kontrolloimaton moottorin pyörimisvirhe, pieni fragmentti ja kolmas levy).

Rakenne sisältää auxettisen järjestelyn, jossa on lukuisia toisiinsa kytkettyjä kolmiulotteisia auxettisia soluja. Tämä suunnittelu varmistaa, että riippumatta siitä, onko pinta‑elementti tasainen, kaareva tai koostuu eri tasaisista pinnoista, lopullinen rakenne saavuttaa auxettisen käyttäytymisen jokaisella näistä pinnoista. Lisäksi se osoittaa auxettista käyttäytymistä useammassa kuin yhdessä pääasiallista iskusuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa.

Vuonna 2023, Airbus rekisteröi liikevaihdokseen yli 65 miljardia euroa, merkittävän kasvun 58,8 miljardiin euroon vuonna 2022. 

Auxettisten materiaalien luominen: miltä tulevaisuus näyttää

Tutkimus, joka avasi keskustelumme, on saavuttanut monia läpimurtoja. Se voi tarjota helppokäyttöisen mallin auxettisten, pyörivien yksiköiden luomiseen, suunnitteluun ja karakterisointiin. Mallit, jotka vahvistavat teoriaa, olivat tehokkaita suoraviivaiseen simulointiin materiaalien ominaisuuksien testaamiseksi ilman taivutusvoimia. Kuitenkin mallit olivat mukautettavissa taivutuksen sisällyttämiseen tarvittaessa. Työ johti perusperiaatteiden asettamiseen täysin uusien isotrooppisten täydellisten auxettien luomiseksi. Ainoa vaatimus oli lisää tutkimusta dynaamisen ja värähtelyanalyysin alalta.

Vaikka tutkimus ja tutkimusprosessi on loputon prosessi tieteessä ja teknologiassa, on tehtävä lisää tutkimusta auxettisten materiaalien elinkelpoisuudesta vahvistuksena, erityisesti kantavissa sovelluksissa. Liialliset muodonmuutokset vaaditaan auxettisuuden eduista hyödyntämiseksi. Nämä muodonmuutokset voivat ylittää rakenteellisten elementtien käyttörajoitukset staattisessa kuormituksessa. Tässä yhteydessä tutkijat ovat korostaneet räätälöityjen suunnitelmien tarvetta, jotka täyttävät sekä vahvuus‑ että jäykkyysvaatimukset. 

Biolääketieteellisissä sovelluksissa 3D‑auxettien tarve syntyy, mikä voidaan saavuttaa vain lisäainevalmistusmenetelmillä. Näitä menettelyjä on parannettava varmistamaan lääketieteellisten laitteiden pitkäaikainen suorituskyky. Algoritmipohjainen prosessi auxettien luomiseen voi olla hyödyllinen näissä tapauksissa, sillä useimmat lisäaine‑teknologiat johtavat sisäisesti anisotrooppisiin tuloksiin kerros‑kerros‑prosessin vuoksi, mikä voi vaikuttaa ratkaisujen mekaaniseen suorituskykyyn. 

Vaikka nämä haasteet ovat edelleen olemassa, tutkijat uskovat, että tulevaisuuden trendit, jos ne skaalataan menestyksekkäästi, voivat johtaa auxettien innostuneempaan omaksumiseen. Tällaisia trendejä ovat esimerkiksi 4D‑tulostuksen ja auxettisten geometrioiden synergian luominen, muistikuvioiden materiaalien ja mekanismien valmistus, jne.

Auxettiset materiaalit voivat myös löytää lisääntynyttä käyttöä biohybridi‑materiaaleissa, joissa auxettinen tukirakenne, jonka solut ovat kolonisoineet, voi johtaa itsenäisempiin toimilaitteisiin. Tutkijoiden mukaan nämä materiaalit pystyvät ylittämään nykyisten “älykkäiden”, aktiivisten tai monitoimisten materiaalien ja rakenteiden suorituskyvyn.

Yksi merkittävimmistä biohybridien käytöstä on mikrobotit, joissa on auxettinen runko ja solujen ohjaamia mekanismeja. Nämä ratkaisut, erityisesti sähköstimulaatiolla aktivoituvat sydän‑ tai lihassolut, voivat tulevaisuudessa toimia kirurgisina toimilaitteina.

Kaiken kaikkiaan auxettiset materiaalit tarjoavat meille valtavan mahdollisuuksien kentän. Kaikki, mitä tarvitaan, on lisää tutkimusta ja resursseja skaalautumiseen ja kestävien ratkaisujen tarjoamiseen, jotka kestävät erittäin pitkään.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten avaruustekniikasta kotisovelluksiin, kehittyneet auxettiset mittarit ovat valmiina laajamittaiseen käyttöön.