Programmierbare Materialien Wie Metamaterial seine Form auf Knopfdruck ändert

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Programmierbare Materialien sind echte Formwandler: Auf Knopfdruck ändern sie kontrolliert und reversibel ihre Eigenschaften und passen sich selbstständig an neue Gegebenheiten an.

Zahlreiche Menschen weltweit sind von Bettlägerigkeit betroffen – sei es durch Krankheit, Unfall oder Alter. Da sie sich oftmals nicht von allein bewegen oder drehen können, kann es zu einem sehr schmerzhaften Wundliegen kommen. Mit Materialien, deren Form und mechanische Eigenschaften sich an jeder Stelle programmierbar ändern lassen, soll das Wundliegen künftig vermieden werden.

Beispielsweise könnte die Härte und Steifigkeit von Matratzen, die aus programmierbaren Materialien hergestellt wurden, in jedem beliebigen Bereich per Knopfdruck eingestellt werden. Darüber hinaus verformt sich die Unterlage selbstständig so, dass ein hoher Druck an einer Stelle auf eine größere Fläche verteilt wird. Das Bett wird dort, wo es drückt, automatisch weicher und elastischer.

Wie lassen sich Materialien überhaupt programmieren?

Materialien für Anwendungen wie diese, die eine gezielte Änderung der Steifigkeit oder Form benötigen, entwickeln Forscher des Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM derzeit. Gemeinsam mit Industriepartnern sollen sie zur Marktreife gebracht werden. Ziel ist es unter anderem, den Einsatz von Ressourcen zu reduzieren.

Für die Programmierung haben die Forscher grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

• Zum einen das Grundmaterial – im Falle der Matratzen thermoplastische, also wieder schmelzbare Kunststoffe und für andere Anwendungen metallische Legierungen, wozu auch sogenannte Formgedächtnislegierungen gehören, die insbesondere die Mikrostruktur bilden.

• Zum anderen ist es die Mikrostruktur der sogenannten Metamaterialien, die sich aus einzelnen Zellen zusammensetzt, die wiederum aus Strukturelementen wie kleinen Balken und dünnen Schalen bestehen, wie es weiter heißt. Während die Größe der einzelnen Zellen und ihrer Strukturelemente bei herkömmlichen zellulären Materialien zufällig variiere, sei sie bei den programmierbaren Materialien zwar auch variabel, jedoch genau festgelegt – sprich programmiert. Diese Programmierung erfolge beispielsweise so, dass Druck an einer bestimmten Position zu gewünschten Formänderungen an anderen Stellen führe, um bei der Matratze zu bleiben. So lässt sich die Auflagefläche einstellen.

Material und Mikrostruktur entscheidend

Welche Formänderung das Material aufweisen soll und auf welche Reize es reagiert – mechanische Belastung, Wärme, Feuchte oder auch ein elektrisches oder magnetisches Feld – lässt sich ebenfalls über die Wahl des Materials sowie seine Mikrostruktur bestimmen. „Die Programmierbaren Materialien ermöglichen es, Gegenstände an die jeweilige Anwendung oder Person anzupassen und die Dinge somit multifunktionaler zu nutzen als bisher. Sie müssen also nicht so oft ausgetauscht werden. Insbesondere vor dem Hintergrund des Ressourcenverbrauchs ist das interessant“, sagt Franziska Wenz, stellvertretende Themenfokussprecherin am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, ebenfalls eines der Kerninstitute des Fraunhofer CPM. Zudem lässt sich ein Mehrwert schaffen, in dem man Gegenstände an die individuellen Bedürfnisse der Nutzer anpasst.

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Auch für den Einsatz in der Industrie geeignet

Ein einzelnes Material kann nach Aussage der IWM-Forscher auch komplette Systeme aus Sensoren, Reglern und Aktuatoren ersetzen. Das Ziel ist es, durch Integration der Funktionen in das Material die Komplexität von Systemen zu verringern und den Einsatz von Ressourcen zu reduzieren. Das geschieht dabei am Fraunhofer CPM. Bei der Entwicklung der programmierbaren Materialien stehe das industrielle Produkt im Fokus, weswegen stets auch berücksichtigt werde, dass ein Programmierbares Material auch zur Serienfertigung tauge und langlebig sei.

Auch laufen bereits erste konkrete Pilotprojekte mit Industriepartnern, betonen die Forscher. Man erwartet, dass die programmierbaren Materialien zunächst einzelne Komponenten in bereits bestehenden Systemen ersetzen werden, oder in speziellen Anwendungen zum Einsatz kommen, was etwa bei medizinischen Matratzen, Sitzen, Schuhsohlen und Schutzbekleidung der Fall sein kann. Schrittweise könnte sich dann der Anteil an programmierbaren Materialien erhöhen. Schließlich könnten sie quasi überall ihre Vorteile nutzbringend entfalten – so auch in der Softrobotik, der Weltraumforschung oder im Rahmen von Sportartikeln.

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