Zacht zoemend komt het robotje, niet groter dan een muntje, op de muur afgesjeesd. Dan stopt het, draait linksaf, om even later weer rechtsaf te slaan in het zicht van een andere muur. Op zichzelf is een minirobotje met deze vaardigheden niet heel bijzonder, maar het hele minigevaarte bestaat uit niet meer dan drie plakjes metamateriaal een controller. En, vooruit, nog een moertje als ballast. 

 
Het metamateriaal vervangt normale robotonderdelen zoals poten, motoren, sensoren en een chassis of skelet, zo schrijven onderzoekers Huachen Cui van de University of California in Los Angeles (UCLA) en collega’s in een recent artikel in Science. Het plakje kan op een extern elektronisch commando krimpen, uitzetten, draaien, scheeftrekken trillen, en zelfs voelen. Het kan ook geluid maken en detecteren. Dankzij al deze eigenschappen kan het robotje rennen, springen, bochten maken, botsingen detecteren en zelfs obstakels ‘zien’ en ontwijken met hulp van sonar; het uitzenden van geluidspulsen en het timen van de terugkaatsende echo, om zo de afstand tot een obstakel te bepalen. 

Precieze oriëntatie 

Metamaterialen zijn een kruising tussen machine en materiaal: het plakje bestaat uit een rooster van gestapelde eenheidscelletjes. Ieder eenheidscelletje is een constructie van balkjes gemaakt van PZT (lood-zirconaat-titanaat), een piëzo-elektrisch materiaal, dat uitzet onder een elektrische spanning. Andere balkjes krimpen juist, werken als geleidende elektrode of fungeren alleen als passief raamwerk. Omgekeerd wekt het piëzomateriaal ook een elektrische spanning op als het wordt uitgerekt of ingeduwd, waardoor het ook kan werken als tastsensor of sensor voor ultrasoon geluid. 
De eenheidscellen worden met een ingenieus nieuw procedé ge-3D-print. Afhankelijk van de precieze oriëntatie van de balkjes kan het celletje krimpen, uitzetten, draaien, scheeftrekken en ander gedrag vertonen. Door verschillende typen cellen doelbewust te stapelen wordt het mechanische gedrag van het plakje gestapelde eenheidscellen meteen ingeprogrammeerd. Bijvoorbeeld om te fungeren als een wandelend robotpootje. In tegenstelling tot ‘gewone’ materialen, bestaat een metamateriaal dus niet uit een homogene massa. In plaats daarvan is het opgebouwd uit doelbewust ontworpen eenheden die het bulkmateriaal nieuwe eigenschappen verlenen. De eenheden zelf kunnen bestaan uit ieder mogelijk materiaal, bijvoorbeeld PZT zoals in het eerdergenoemde voorbeeld, maar ook uit zachte polymeren, metalen of zelfs kleine elektronische schakelingen. In zekere zin is het vergelijkbaar met de moleculen of atomen die bulkmaterialen vormen met emergente eigenschappen. 

Tentakels 

Onderzoek naar metamaterialen loopt al decennia, maar gaat de laatste decennium een nieuwe fase in, zegt Martin van Hecke, hoogleraar aan de Universiteit Leiden en groepsleider bij onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam, en een van de pioniers op het gebied van mechanische metamaterialen. ‘Het idee is steeds meer dat je actuatoren en sensoren op een programmeerbare manier een metamateriaal kunt verwerken’, zegt hij. Daarnaast zou het materiaal ook de signaalverwerking voor zijn rekening kunnen nemen. Van Hecke: ‘Een inspirerend voorbeeld is de octopus, waarbij het centraal zenuwstelsel grotendeels verspreid is over de tentakels. Die werken dus als spieren, tastzintuigen én verwerken informatie. En octopussen zijn zijn behoorlijk intelligent.’ 

‘Een inspirerend voorbeeld is de octopus’ 

Zover zijn we nog lang niet. De eerste metamaterialen, toen nog niet zo genoemd, waren zogenaamde auxetische materialen, met een flexibele honingraat-achtige interne structuur. Die verleent het materiaal bijzondere elastische eigenschappen, namelijk een negatieve Poisson-ratio. Dat wil zeggen dat een strook van het materiaal breder wordt als je het uitrekt, in plaats van smaller. Auxetische materialen kunnen goed schokken opvangen, doordat ze dichter worden bij impact. Ze worden nu dan ook al breed toegepast, van de zolen van hardloopschoenen tot verpakkingsmateriaal, maar ook in andere schokdempende toepassingen en zelfs kogelwerende vesten.  

Akoestiek  

De term metamaterialen dook pas op toen natuurkundigen rond 2000 gestapelde constructies van kleine antennes en circuits gingen ontwerpen. Voor elektromagnetische straling met een grotere golflengte dan de eenheidscellen, eerst microgolven en later ook licht, gedroegen die constructies zich als materialen met onverwachte, en soms onmogelijk gewaande, optische eigenschappen. Ze hebben bijvoorbeeld een negatieve brekingsindex, of kunnen licht om een verborgen object heen leiden, waarmee ze een soort onzichtbaarheidsmantel vormen. Het afgelopen decennium vertaalde het achterliggende idee zich ook naar het mechanische en akoestische domein, geholpen door de nieuwe mogelijkheden van 3D-printers en computergestuurde ontwerpmethoden. Voorbeelden zijn ultrasterke lichte metamaterialen met een uitgekiende structuur van de eenheidscellen of materialen met een negatieve thermische uitzettingscoëfficiënt, die uitzetten bij afkoeling. 

‘Chirale akoestische golven komen normaal gesproken niet voor in vaste stoffen’

Maar vooral elastische eigenschappen - hoe vervormt het materiaal onder indrukken - zijn te manipuleren. Elastische eigenschappen zijn sterk verweven met de voortplanting van geluid, en dus met akoestische eigenschappen. Zo publiceerden Tobias Frenzel van het Karlsruhe Institute of Technology en collega’s in 2017 over een metamateriaal gemaakt van eenheidscellen die verdraaien, als ze ingedrukt worden. Zo’n chiraal materiaal heeft bijzondere akoestische eigenschappen: als er gewone geluidstrillingen doorheen lopen, ofwel drukgolven die zich door het materiaal voortplanten, worden die deels omgezet in een nieuw type akoestische golven, die bestaan uit variërende plaatselijke rotaties. Chirale akoestische golven komen normaal gesproken niet voor in vaste stoffen, en kunnen tot nieuw gedrag en nieuwe toepassingen kunnen leiden. Veel onderzoek naar mechanische metamaterialen bevindt zich nog in dit fundamentele stadium. 

‘Vooral elastische eigenschappen zijn te manipuleren’ 

Nog een toepassing: als een geluidsgolf overgaat van één medium naar het volgende, bijvoorbeeld van lucht naar vaste stof, is er doorgaans een scherpe overgang van de akoestische respons, de impedantie, waardoor een deel van de geluidsgolf terugkaatst als een echo. Een akoestisch metamateriaal, waarvan de cellen bestaan uit een soort labyrint voor luchtstromingen, kan de impedanties op elkaar afstemmen, zodat er geen geluid terugkaatst, met goede geluiddempende eigenschappen tot gevolg. 

Kubus  

Weer een stap verder gaan metamaterialen met een niet-lineaire elastische respons, waarbij de tegenkracht niet evenredig is met de mate waarmee het materiaal wordt ingedrukt. Corentin Coulais (ook AMOLF) en Martin van Hecke ontwierpen een klasse metamaterialen gebaseerd op een patroon van ellipsvormige uitsparingen in synthetisch rubber (polyvinylsiloxaan). Voorbij een bepaalde kracht ploppen die uitsparingen abrupt naar een andere configuratie. Dit heet buckling, en het verandert de elastische respons. Zo’n metamateriaal is dus bij indrukken eerst stijf, maar voorbij een drempelwaarde geeft het opeens mee. 
Nieuwe varianten van zulke buckling materialen zijn ook programmeerbaar: de oriëntatie van de eenheidscellen wordt volgens een van tevoren berekend bouwplan bepaald. Zo kun je programmeren welk deel van de structuur naar buiten stulpt als het geheel ingedrukt wordt. Om dit punt te maken programmeerden Coulais en Van Hecke een gezichtje dat uit een 10 centimeter grote rubberen kubus verschijnt. In een recenter onderzoeksproject werken ze aan materialen waarin de gestulpte vouwen eenvoudige berekeningen kunnen uitvoeren. 
Stap voor stap worden zo nieuwe eigenschappen geïncorporeerd, met als voorlopig eindpunt het UCLA-robotmateriaal: programmeerbaar, stuurbaar, draaiend, rekkend, krimpend, scheeftrekkend, voelend en pulsen uitzendend. Maar een octopustentakel is het nog (lang) niet.