Robots hebben in een laboratorium zonder menselijk toezicht een structuur ontdekt die meer energie kan absorberen dan welke andere structuur dan ook.

Een robotlaboratorium dat mechanische structuren kan maken en testen zonder menselijke supervisie, heeft de meest energieabsorberende structuur ontdekt die tot nu toe is getest. Het nieuwe materiaal verbreekt het staande record van balsahout.

Er bestaan verschillende manieren om te testen hoe sterk of flexibel een materiaal is. In dit nieuwe onderzoek van de Boston-universiteit in de Verenigde Staten, geplaatst op de preprint-website Arxiv, gebruikten de wetenschappers een veelgebruikte maatstaf: de hoeveelheid mechanische energie die een materiaal kan absorberen zonder het te begeven. De onderzoekers, of in dit geval de robots, maten hiervoor hoe hard je een structuur in elkaar moet drukken voordat die kapotgaat.

De geschiedenis van de  wiskunde is diverser dan je denkt
LEES OOK

De geschiedenis van de wiskunde is diverser dan je denkt

Wiskunde is niet alleen afkomstig van de oude Grieken. Veel van onze kennis komt van elders, waaronder het oude China, India en het Arabisch Schiereil ...

Beschermende materialen, zoals het schuim in fietshelmen of het metaal in kreukelzones van auto’s, zijn ontworpen om goed energie op te kunnen nemen. Het materiaal voorkomt daarmee dat mechanische energie van een botsing wordt overgedragen op de betrokken persoon. Die heeft zo minder kans op verwondingen.

Record

Materiaalkundige Keith Brown van de Boston-universiteit en zijn collega’s stellen dat ze een groep materiaalstructuren hebben ontdekt met het hoogste energieabsorberende vermogen ooit gemeten. Hiervoor bouwden ze een autonoom robotlaboratorium, de Bayesiaanse Experimentele Autonome onderzoeker (BEAR), die ze het werk lieten doen.

‘We hebben een systeem gebouwd dat mechanische structuren ontwerpt en test. Vervolgens gebruiken de robots alle resultaten van voorgaande testen om nieuwe structuren te ontwerpen en te testen’, zegt Brown. ‘Het systeem kan eerdere resultaten dus direct terugkoppelen, en is volledig autonoom.’

De robot

BEAR kan verschillende structuren maken dankzij vijf 3D-printers die zeven soorten plastic kunnen produceren. Daarnaast heeft BEAR een testmachine die elke plastic structuur kan samendrukken en kan meten bij hoeveel kracht die het begeeft. Tot slot heeft BEAR een robotarm en een beeldvormingssysteem om de structuren te kunnen verplaatsen.

Het laboratorium voert zo’n vijftig experimenten per dag uit. In totaal hebben de robots meer dan 25 duizend experimenten gedaan, maar slechts iets meer dan de helft daarvan leverde geldige resultaten op.

Hoewel het lab de experimenten volledig autonoom uitvoerde, waren er verschillende momenten tijdens de testen waarop Browns team ingreep. De onderzoekers moesten BEAR bijvoorbeeld vertellen op welk punt een structuur zou breken, of de temperatuur aanpassen voor een deel van de productieprocedure.

Verschillende materialen

Het team van Brown ontdekte meerdere structuren die goed presteerden, afhankelijk van de gebruikte plasticsoort. Eén structuur bijvoorbeeld, omgedoopt tot Willow, presteerde het best als hij gemaakt was van de polyester PLA. De gemiddelde efficiëntie van deze stof was 73,3 procent, wat betekent dat Willow dat percentage van de energie van de impact absorbeert.

BEAR, het robotlaboratorium. Beeld: Aldair E. Gongora and Bowen Xu

Willow verslaat hiermee balsahout, het vorige meest energie-absorberende materiaal. Balsahout absorbeert 71,8 procent van de schokenergie.

De prestaties van Willow waren echter minder goed als de structuur van andere materialen werd gemaakt. Het bleek dat elk van de kunststoffen zijn eigen best presterende structuur heeft. Het is onduidelijk of structuren zoals Willow ook sterk zouden zijn als ze van andere materialen zijn gemaakt, zegt Brown.

Stroomversnelling

Stoffen testen zonder menselijke tussenkomst zou de ontwikkeling van veel nieuwe materialen kunnen versnellen, zegt materiaalkundige Iman Mohagheghian van de Universiteit van Surrey in het Verenigd Koninkrijk. ‘Deze experimenten zijn erg arbeidsintensief. Als je iets hebt dat dag en nacht in het lab kan werken, dan zal het materiaalonderzoek in een stroomversnelling raken.’

De ontdekte structuren zouden bijvoorbeeld relevant kunnen zijn voor een fietshelm, zegt materiaalkundige Devesh Mistry van de Universiteit van Leeds in het VK. Maar ze moeten verder worden onderzocht om er zeker van te zijn dat ze in verschillende situaties werken. Volgens Mistry zal de toekomst moeten uitwijzen of deze nieuwe structuren het beter kunnen doen dan de relatief goedkope, reeds bestaande alternatieven, zoals polystyreenschuim.