Material Auxetik Memiliki Berbagai Kasus Penggunaan. Algoritma Canggih Sekarang Mempermudah Pembuatan Mereka

Material auxetik menyusut dan mengembang pada arah melintang ketika dikenai kompresi aksial dan tarikan, masing‑masing. Mereka merespon dengan cara yang berlawanan dengan intuisi material elastis biasa dan, oleh karena itu, menunjukkan rasio Poisson negatif. Rasio ini mengukur deformasi pada arah yang tegak lurus terhadap gaya yang diterapkan. Tidak seperti material elastis biasa, material auxetik, saat dikompresi, menjadi lebih tipis pada arah yang tegak lurus terhadap gaya yang diterapkan. 

Material ini telah menjadi populer selama beberapa dekade terakhir karena sifat berguna mereka, seperti ketangguhan retak yang baik, tahan terhadap penekukan/impak tinggi, modulus geser, penyerapan energi yang baik, deformasi sinklastik, dan regangan melintang yang tinggi. Mereka juga memiliki sifat tahan dent tinggi dan isotropi permukaan yang superior. 

Semua sifat ini telah memperkaya material auxetik, memastikan bahwa material ini memiliki kegunaan yang luas. Pada segmen berikut, kami akan melihat beberapa kasus penggunaan tersebut dalam bidang ilmu kedokteran dan perawatan kesehatan, rekayasa kendaraan, rekayasa perlindungan, pakaian, dll. 

Material Auxetik dalam Perawatan Kesehatan dan Ilmu Kedokteran

Polietilena auxetik berdensitas tinggi digunakan untuk mengembangkan disk intervertebralis buatan untuk operasi tulang belakang. Disk ini dapat melengkung dan memutar serta berpotensi memberikan kinerja biomekanik yang lebih baik dibandingkan solusi penggantian disk tradisional. Sifat auxetik mereka mencegah pembengkakan yang dapat melukai ujung saraf di sekitarnya, memungkinkan disk meniru secara sempurna perilaku disk intervertebralis lumbar alami.

Sebuah sekrup pedikel auxetik juga diusulkan untuk meningkatkan interaksi biomekanik antara tulang di sekitarnya dan sekrup, terutama untuk tulang belakang. 

Penelitian juga membantu ilmuwan mengembangkan stent koroner dengan geometri auxetik berbasis stainless steel grade medis 316L. Stent ini dapat mengembang baik secara radial maupun longitudinal dan dapat dioptimalkan untuk diameter serta panjang pembuluh tertentu guna menciptakan volume lumen tertentu, meminimalkan dampak negatif stent pada dinding pembuluh. 

Material auxetik juga terbukti berguna dalam aplikasi medis lain, seperti batang implan pinggul, fiksasi tulang panjang, tambalan jantung, swab nasofaring, insole ortopedi, dan lainnya. Mereka juga berharga dalam rekayasa jaringan serta pembuatan struktur dan membran untuk perangkat medis in‑vitro.  

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana rekayasa aditif canggih membuka jalan bagi robotik lunak.

Material Auxetik dalam Rekayasa Kendaraan

Penelitian terbaru menunjukkan bahwa material dan struktur auxetik dapat menyediakan metode desain superior yang meningkatkan karakteristik penyerapan energi pada bumper tabung dinding tipis tradisional dan kotak penyerapan energi. 

Struktur ini akan memiliki kekakuan yang lebih besar, keunggulan penyerapan energi pada tabrakan kecepatan menengah, dan waktu penyangga yang lebih lama untuk penyerapan energi tabrakan serta proses percepatan‑deselerasi penumpang. Mereka juga mencetak nilai tinggi dalam hal kapasitas penyerapan energi, efisiensi penyerapan energi, dan indeks kinerja lainnya.

Salah satu peneliti di bidang ini secara khusus menyarankan sebuah bumper yang terdiri dari struktur balok sandwich auxetik dan kombinasi blok penyerapan energi yang dioptimalkan oleh algoritma multi‑objektif, yang meningkatkan ketahanan tabrakan frontal kendaraan. 

Material Auxetik dalam Rekayasa Perlindungan

Penggunaan struktur auxetik dalam rekayasa perlindungan muncul dari kemampuan penyerapan energi tinggi, peningkatan kekuatan tekan indentasi, dan sifat kekuatan geser yang ditingkatkan. 

Penelitian membantu menemukan struktur panel sandwich sarang madu auxetik yang dapat melindungi struktur beton bertulang dari dampak keras dan beban ledakan berdekatan. 

Selain itu, panel sandwich silindris dengan efek auxetik memiliki sifat tahan ledakan yang lebih kuat, dan dapat digunakan untuk merancang secara efisien cangkang pesawat terbang, wahana antariksa, lambung kapal selam, tangki bahan bakar, tempat perlindungan tambang batu bara, dan struktur melengkung lainnya. 

Material Auxetik dalam Rekayasa Pakaian

Sifat ekspansi melintang material auxetik di bawah beban membantu membentuk kelengkungan ganda selama pembengkokan. Sifat ini memungkinkan pakaian yang terbuat dari material ini beradaptasi dengan kontur tubuh manusia yang berubah selama gerakan. Penelitian menunjukkan bahwa pakaian hamil berbahan auxetik memiliki konsentrasi stres yang lebih rendah dibandingkan dengan produk tradisional. Pakaian tersebut juga nyaman dipakai. 

Beragam kemungkinan aplikasi ini telah menghasilkan lonjakan permintaan akan material auxetik. Untuk memenuhi permintaan yang meningkat, peneliti telah mengembangkan resep tiga langkah untuk merancang material auxetik sesuai permintaan. 

Prosedur Tiga Langkah untuk Membuat Material Auxetik Sesuai Permintaan

Peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) dan Universitas Chicago telah melakukan upaya bersama untuk mempercepat pengenalan produk auxetik ke pasar. 

Lebih tepatnya, para peneliti ini telah mengembangkan alat algoritmik yang membantu perancangan tiga‑dimensi yang tepat dari auxetik. Menurut co‑author studi, Edwin Chan, seorang insinyur riset material dari NIST:

“Kami sebenarnya dapat mengoptimalkan material untuk memiliki sifat mekanik dan perilaku tertentu yang Anda inginkan.”

Para peneliti telah mempersembahkan kepada dunia kerangka kerja terpadu untuk mendeskripsikan auxetik dua‑dimensi yang sempurna. Presentasi ini merupakan hasil dari pemahaman yang lebih besar bahwa mengerti dan mengendalikan batas auxetik sempurna dapat memungkinkan kami merancang auxetik realistis secara rasional dengan struktur geometris yang dibuat khusus sehingga rasio Poisson tetap negatif.

Saat menjelaskan signifikansi lebih besar dari studi mereka, para peneliti mengatakan:

“Teori kami tidak hanya menyatukan kelas besar auxetik yang ada, mencakup sistem unit kaku auxetik sebelumnya, tetapi juga memungkinkan penciptaan beragam auxetik baru dengan geometri yang beragam, termasuk material auxetik isotropik yang agak sulit dicapai.”

Karena peneliti tertarik memahami perilaku auxetik sempurna, mereka menggunakan model dua‑dimensi minimal untuk unit berputar. Unit‑unit tersebut terdiri dari serangkaian poligon yang dihubungkan oleh pegas dengan panjang alami nol. Setiap unit kaku memiliki tiga derajat kebebasan: dua translasi dan satu rotasi. Model ini membantu memastikan munculnya mode floppy auxetik dan memperkenalkan elastisitas ke dalam material sehingga skenario non‑ideal juga dapat dipelajari. 

Hasil penyelidikan ilmiah berupa resep yang akan membantu membangun auxetik sempurna. Resep tersebut memerlukan tiga bahan:

• Jaringan bipartit yang memungkinkan unit‑unit berlawanan‑rotasi satu sama lain.
• Pada awalnya dan dalam keadaan diam, setiap pasangan vektor posisi poligon tetangga dan titik sudut di antara mereka harus kolinear.
• Rasio antara jarak sebuah poligon ke salah satu titik sudutnya dan jarak tetangganya ke titik sudut yang sama harus konstan dalam jaringan.

Para peneliti menekankan bahwa keunikan teori mereka terletak pada fakta bahwa teori ini tidak terbatas pada kisi‑kisi dan dapat diterapkan secara langsung pada jaringan tidak beraturan. Hal ini memungkinkan pembuatan material auxetik isotropik sempurna pertama. Para peneliti juga membantu dengan fakta bahwa teori mereka dapat diperluas menjadi material polihedral 3D.

Meskipun penelitian ini merupakan terobosan, pekerjaan pada material auxetik telah berlangsung cukup lama. Pada segmen berikut, kami akan melihat perusahaan‑perusahaan yang telah melakukan pekerjaan terobosan pada material ini.

#1. Nike

Salah satu merek terkemuka yang telah melakukan pekerjaan canggih dalam ruang struktur auxetik adalah Nike. Paten Nike no US9402439B2 membahas struktur auxetik yang memfasilitasi pembuatan sol dengan struktur auxetik. 

Biasanya, alas kaki terdiri dari setidaknya dua komponen utama:

• Bagian atas yang menyediakan ruang untuk menampung kaki pemakai
• Sol yang terpasang pada bagian atas dan berfungsi sebagai kontak utama dengan tanah atau permukaan permainan

Sol dapat mencakup tiga sub‑segmen: sol dalam, midsole, dan sol luar. Pada alas kaki Nike yang dipatenkan, setidaknya satu lapisan sol dibuat dari struktur auxetik. Lapisan ini disebut sebagai lapisan auxetik. 

Berjalan, berbelok, melompat, atau mempercepat dengan sepatu ini menempatkan lapisan auxetik di bawah ketegangan longitudinal atau lateral yang meningkat, memperpanjang panjang dan lebar lapisan. Dengan demikian, lapisan ini memberikan traksi yang lebih baik dan menyerap sebagian dampak permukaan permainan.

Nike percaya bahwa sepatu ini dapat bermanfaat untuk berbagai olahraga dan aktivitas rekreasi, termasuk tenis dan olahraga raket lainnya, berjalan, jogging, berlari, hiking, bola tangan, pelatihan, berlari atau berjalan di treadmill, serta olahraga tim seperti basket, voli, lacrosse, hoki lapangan, dan sepak bola.

Untuk tahun fiskal penuh 2023, Nike melaporkan pendapatan sebesar US$51,2 miliar, naik 10 persen dibandingkan tahun sebelumnya dan naik 16 persen pada basis netral mata uang. 

#2. Airbus

Airbus Defence and Space memperoleh paten atas struktur auxetik yang dapat berubah bentuk dan proses pembuatannya. Penemuan ini bertujuan memberikan perlindungan ringan terhadap dampak energi tinggi pada rangka pesawat dan sistem dengan satu panel sandwich terintegrasi yang memanfaatkan perilaku auxetik dua‑dimensi pada dua arah yang membentuk permukaan panel. 

Airbus menyatakan bahwa perlindungan semacam itu akan sangat bermanfaat dalam konfigurasi pesawat yang didorong oleh mesin belakang yang sangat terintegrasi, termasuk arsitektur Open‑Rotor atau Boundary‑Layer Ingestion. Pada konfigurasi ini, perlindungan (perisai) diperlukan karena kekhawatiran keselamatan terhadap dampak energi tinggi pada fuselage akibat Pelepasan Bilah Propeler (PBR) dan Puing Mesin (Kegagalan Rotasi Mesin Tidak Terkontrol berupa fragmen kecil dan cakram ketiga).

Struktur ini menampilkan susunan auxetik yang terdiri dari banyak sel auxetik tiga‑dimensi yang saling terhubung. Desain ini memastikan bahwa terlepas dari apakah elemen permukaan memiliki permukaan datar, melengkung, atau kombinasi permukaan datar yang berbeda, struktur yang dihasilkan akan mencapai perilaku auxetik pada masing‑masing bidang tersebut. Selain itu, struktur akan menunjukkan perilaku auxetik dalam lebih dari satu dimensi yang tegak lurus terhadap arah utama dampak.

Pada tahun 2023, Airbus mencatat pendapatan lebih dari 65 miliar Euro, peningkatan signifikan dibandingkan 58,8 miliar Euro yang diperoleh pada 2022. 

Membuat Material Auxetik: Seperti Apa Masa Depannya

Penelitian yang membuka diskusi kami dapat menghasilkan banyak terobosan. Penelitian ini dapat menyediakan model yang mudah diikuti untuk menciptakan, merancang, dan mengkarakterisasi auxetik unit berputar. Model‑model yang memvalidasi teori tersebut kuat untuk simulasi sederhana dalam menguji sifat material sambil mengabaikan gaya lentur. Namun, model‑model tersebut dapat menyesuaikan diri untuk mengakomodasi lenturan bila diperlukan. Pekerjaan ini menghasilkan penetapan aturan dasar untuk menciptakan auxetik isotropik sempurna yang belum pernah ada sebelumnya. Satu‑satunya yang dibutuhkan adalah penelitian lebih lanjut tentang analisis dinamis dan vibrasi.

Sementara penelitian dan eksplorasi merupakan proses yang tak pernah berakhir dalam ilmu pengetahuan dan teknologi, perlu ada penyelidikan lebih lanjut mengenai kelayakan material auxetik sebagai penguat, terutama untuk aplikasi beban‑beban. Deformasi berlebih diperlukan untuk memulai keuntungan yang berasal dari auxetik. Deformasi ini dapat melampaui batas kegunaan yang ditetapkan untuk elemen struktural pada beban statis. Dalam hal ini, peneliti menyoroti kebutuhan akan desain khusus yang memenuhi persyaratan kekuatan dan kekakuan secara bersamaan. 

Di bidang aplikasi biomedis, kebutuhan akan auxetik 3D muncul, yang hanya dapat dicapai melalui prosedur manufaktur aditif. Prosedur‑prosedur ini harus ditingkatkan untuk memastikan kinerja jangka panjang perangkat medis. Proses berbasis algoritma canggih untuk menciptakan auxetik dapat berguna dalam kasus ini, karena sebagian besar teknologi aditif menghasilkan hasil yang secara intrinsik anisotropik akibat proses lapis‑per‑lapis, yang dapat memengaruhi kinerja mekanik solusi. 

Meskipun tantangan‑tantangan ini tetap ada, peneliti optimis bahwa beberapa tren masa depan, jika berhasil diskalakan, dapat mendorong adopsi auxetik yang lebih antusias. Tren‑tren tersebut meliputi penciptaan sinergi antara pencetakan 4D dan geometri auxetik, pembuatan material memori bentuk dan mekanisme, dll. 

Auxetik juga dapat menemukan penggunaan yang meningkat dalam material bio‑hibrida, di mana rangka auxetik yang dijajah sel dapat menghasilkan aktuator yang lebih otonom. Menurut peneliti, material ini mampu melampaui material dan struktur “pintar”, aktif, atau multifungsi yang saat ini tersedia.

Salah satu contoh utama penggunaan bio‑hibrida adalah dalam bentuk mikro‑bot yang dilengkapi rangka auxetik dan mekanisme yang dioperasikan oleh sel hidup. Solusi‑solusi ini, terutama kardiomiosit atau sel muskuloskeletal yang diaktifkan oleh rangsangan listrik, dapat digunakan sebagai aktuator bedah di masa depan.

Secara keseluruhan, auxetik memberikan kami ladang peluang yang luas. Yang dibutuhkan hanyalah lebih banyak penelitian dan sumber daya untuk menskalakan dan menyediakan solusi yang layak yang bertahan sangat lama.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana dari aerospace hingga aplikasi rumah, pengukur auxetik canggih siap untuk penggunaan luas.