Stabil in allen möglichen Formen

Seit längerem tüfteln Forscherinnen und Forscher an Materialien, die je nach Bedarf verschiedene stabile Formen annehmen können. Ziel dieser sogenannt multistabilen Strukturen ist es, Objekte zu bauen, deren dreidimensionale Gestalt sich je nach Bedarf dauerhaft verändern lässt. Damit könnte man beispielsweise anpassungsfähige Fassadenelemente bauen oder grosse Objekte, die sich einfach platzsparend transportieren lassen.

Doch der grosse Durchbruch lässt noch auf sich warten. Denn die bisherigen Lösungen sind entweder sehr aufwändig in der Herstellung, lassen sich nur einmal verformen oder benötigen eine kontinuierliche Energiezufuhr, um den veränderten Zustand aufrechtzuerhalten.

Bemerkenswert einfache Lösung

Giada Risso, Doktorandin in der Gruppe für Verbundmaterialien und adaptive Strukturen von Paolo Ermanni, hat kürzlich in der Fachzeitschrift «Advanced Science» einen neuen Ansatz vorgestellt, der diese Nachteile überwindet. «Eines meiner Hauptziele war, eine flache multistabile Struktur zu entwickeln, die sich einfach herstellen lässt», erklärt sie. Die Lösung ist bemerkenswert einfach: Sie klebt einen flachen Verbundrahmen auf eine vorgedehnte, weiche thermoplastische Folie aus Polyurethan. «Eine ebene Fläche, ein Halter zum Vorspannen der Folie – das ist im Grunde alles, was man braucht», erklärt Risso.

Biegt man mit der Hand die so gefertigte Struktur, springt diese vom anfänglich flachen Ausgangszustand in eine gebogene Form, die sich ohne weiteres Zutun nicht mehr verändert. Mit einem zweiten Handgriff lässt sich die Form erneut verändern, wiederum bleibt der neue Zustand ohne weiteres Zutun erhalten. Und auch der Ausgangszustand lässt sich ohne weiteres wieder herstellen.

Ein Rahmen mit Karbonfasern

Doch warum genau lässt sich diese Struktur so flexibel in verschiedene stabile Zustände verformen? Das Entscheidende ist, welches Material man als Rahmen nimmt, hat Risso herausgefunden. «Die besten Resultate erzielen wir mit einem Verbundmaterial aus Karbonfasern. Damit entsteht eine Struktur, die tatsächlich mehrere stabile Zustände einnehmen kann.» Nimmt man hingegen Glasfasern als Umrandung, sind deutlich weniger stabile Formen möglich. Am schlechtesten schneidet Stahl als Begrenzungsmaterial ab: Damit lässt sich kein zweiter stabiler Zustand erzeugen.

Risso hat in ihrer Arbeit theoretisch dargestellt, warum die verschiedenen Materialien zu derart unterschiedlichen Resultaten führen. «Karbonfasern sind hochgradig anisotrop, das heisst, sie weisen in den verschiedenen Raumrichtungen sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Je nach dem, in welche Richtung man also an ihnen zieht, sind sie unterschiedlich fest. Erst durch diese Anisotropie entsteht eine multi-stabile Form.» Da Stahl im Gegensatz zu Karbonfasern isotrop ist, lässt sich damit auch keine multi-stabile Form herstellen.

Raupe als Vorbild

Der Grundbaustein der neuen Struktur ist ein quadratisches Element. Dieses lässt sich beliebig mit weiteren Quadraten erweitern. Da jedes einzelne Quadrat verschiedene stabile Zustände annehmen kann, entsteht in der Kombination eine grosse Vielzahl von möglichen Formen.

In einem nächsten Schritt hat Risso eine Struktur bestehend aus 16 Quadraten mit sogenannt pneumatischen Aktuatoren ausgerüstet. Diese funktionieren ähnlich wie ein «einseitiger» Ballon, dehnen sich also auf eine Seite aus, wenn Luft hineinströmt. Presst man Luft in einzelne Aktuatoren, verbiegt sich die Struktur in der gewünschten Weise und nimmt eine neue Form ein. In Experimenten konnte Risso zeigen, dass man damit die Bewegung einer Raupe nachempfinden kann.

Risso sieht viele Einsatzmöglichkeiten für solche Strukturen, beispielsweise um veränderbare Fassadenelemente zu bauen oder flexible Roboter. Am meisten interessiert sei die Raumfahrtindustrie: «Diese verwendet bereits heute leichte Verbundmaterialien und ist darauf angewiesen, kompakte Materialien zu haben, die sich einfach verändern lassen.» Mit dem neuen Ansatz könnte man beispielsweise Antennen oder Solarpanels konstruieren, die sich nach dem Transport ins All einfach entfalten und konfigurieren lassen.

Der Vielfalt sind keine Grenzen gesetzt

Das Prinzip funktioniert übrigens nicht nur mit quadratischen Grundelementen, sondern auch mit beliebig anderen Polygonen, wie Risso in einer weiteren Arbeit zeigen konnte. Damit wird sich das Anwendungsspektrum massiv erweitern. «Wer weiss, vielleicht wird man mit solchen Materialien schon bald würfelförmige Figuren bauen, die sich dann im Handumdrehen in exotische dreidimensionale Strukturen verwandeln», meint sie lachend.

Tatsächlich regt das neue Konzept mit seinen vielseitigen Möglichkeiten die Fantasie an. «Ich kann längst nicht alle Möglichkeiten ausloten, denn ich muss mich nun auf den Abschluss meiner Doktorarbeit konzentrieren», sagt Risso. Die verbleibende Zeit wolle sie beispielsweise nutzen, um noch einige offene Forschungsfragen zu klären.

Mit ihrem Hintergrundwissen in angewandter Mathematik wolle sie zum Beispiel die Frage klären, wie stabil ein stabiler Zustand sei. Auch die Geschwindigkeit der Verformung sei ein kritischer Punkt, den es noch genauer anzuschauen gelte. «Für viele Anwendungen wäre es wichtig, dass sich das Material nicht ruckartig verändert, sondern auf kontrollierte Weise von einem Zustand in den nächsten übergeht», erläutert sie. «Deshalb untersuchen wir auch, wie sich die Verformung besser steuern und verlangsamen lässt.»

Und schliesslich gibt es auch noch den Grössenaspekt: «Wir wissen noch nicht, wie stark wir die einzelnen Elemente verkleinern können. Sollte es uns gelingen, diese Elemente bis in den Millimeterbereich hinein zu verkleinern, könnte ich mir auch einen Einsatz in der Medizin vorstellen», meint Risso. «Doch das ist wirklich noch Zukunftsmusik.»