Forma jako funkce: jaké možnosti skýtají morfologicky aktivní povrchy?

Forma následuje funkci – obecně zažité tvrzení pro hned několik odvětví designu. Co kdyby ale samotná forma byla funkcí a mohla z pasivních materiálů učinit aktivní? Nové poznatky od německého týmu výzkumníků mohou naznačit, jak v budoucnu tyto materiály využijeme.

Kolektiv Future of Materials zveřejňuje nejnovější informace o materiálech a jejich inovativních využitích. Patří mezi ně i tzv. morfologicky aktivní povrchy. Jejich vlastnosti se mění v závislosti na vnitřní struktuře. Velmi zjednodušeně řečeno – vezmeme plát pružného materiálu, třeba gumy, a měníme jeho vlastnosti pomocí tvaru jednotlivých opakujících se otvorů, které do něj vyřežeme.

Heidi Jalkh a Lorenzo Guiducci se zabývají těmito strukturami, někdy označovanými jako voštiny, složenými ze soustavy stejných buněk. Představit si můžeme třeba včelí plástev. Opakující se vzor uvnitř povrchů se chová jako vestavěný mechanismus, který se například při tahu promění z plochého na trojrozměrný – a zase se vrátí zpět. Otevírá se tak svět povrchů, které lze navrhovat a programovat přesně na míru jejich účelu. Použitím správné geometrie totiž dochází k předvídatelným a kontrolovatelným transformacím.

Zástupce výše popsaných struktur najdeme i v přírodě, je jich ale velmi málo. Jedním z nich je například hadí kůže, která se díky své stavbě při působení tahu v jednom směru – na rozdíl od očekávání – rozpíná do prostoru namísto zúžení ve směru druhém. Proto je had schopný spolknout kořist a jeho tělo nabude daleko větších rozměrů bez narušení kůže, a to opakovaně.

Jaké vlastnosti tyto struktury nabývají?

Rozpínatelné (auxetické)

Zatímco většina materiálů a struktur se při natažení do jednoho směru zúží v tom druhém, určité vybrané struktury se naopak rozpínají i ve směru kolmém na působení síly – například voštiny, jejichž základní tvar odpovídá šestiúhelníku vnořenému dovnitř (podobnému přesýpacím hodinám). Když takovou strukturu stlačíme směrem dovnitř, zmenší se i v kolmém směru. Tento jev nazýváme auxetický.

Pokud jde o prostorovou rozpínavost, tým Jalkh–Guiducci zjistil, že tato vlastnost závisí i na velikosti struktury. Jinými slovy, totožná struktura může podle měřítka nabývat různých tvarů – a tím i vlastností. Může se různě prohýbat nebo svírat – dokáže třeba obepnout předmět, přenést jej a znovu pustit.

Vratné

Pokud jsou tyto struktury tvořeny z pružných materiálů, mění při změně podmínek svůj charakter, ale poté se vrací do původního stavu. Tento cyklus mohou opakovat znovu a znovu – a právě v tom spočívá jejich hlavní funkce.

Bistabilní

Název napovídá: struktury mohou mít dva stabilní stavy. Ke změně stačí působení tahu nebo síly, jakmile však přestane působit, struktura se sama nevrací. Připomíná to například vypínač na zdi.

Uzamykatelnost stavu

U rozpínatelných struktur z pružných materiálů se po přestání působení síly tvar obvykle vrací zpět. Pomocí vhodné geometrie lze ale docílit uzamčení. Příkladem může být struktura obrácených šestiúhelníků, do jejichž protilehlých bodů byly přidány výčnělky ve tvaru šipky.

Při rozevření buňky se výčnělky posunou a zaklesnou, takže struktura zůstane v novém tvaru i bez dalšího působení síly. K návratu do původního stavu pak stačí jen malé působení ve směru rovnoběžném s těmito výčnělky. V jiných směrech ale síla tento stav nezmění – což je další zajímavá a prakticky využitelná vlastnost. Dvojice výzkumníků navíc popsala i různorodé zakřivení povrchů při seskupení stejných, jen odlišně orientovaných buněk.

Ačkoliv se tyto popisy mohou zdát abstraktní, jejich potenciál je značný, a to hned v několika odvětvích. Kolektiv zmiňuje například využití v měkké robotice či v řadě technických oborů. Také pro biomechaniku mohou materiály s předvídatelnými vlastnostmi znamenat krok kupředu s využitím například pro zdokonalení chirurgických nástrojů, ortopedických implantátů nebo umělé kůže. Uplatnění se nabízí také v architektuře, kde by takto navržené povrchy nepotřebovaly tolik podpůrných konstrukcí, mohly by také sloužit třeba pro adaptivní stínění.

Zdroj: Future of Materials, 

Guiducci, Lorenzo and Jalkh, Heidi. "On Material Grammar: Learning from and Designing with Unstable Behavior in Thin Sheet Materials". Toward a New Culture of the Material, edited by Frank Bauer, Yoonha Kim, Sabine Marienberg and Wolfgang Schäffner, Berlin, Boston: De Gruyter, 2024, pp. 85-94. https://doi.org/10.1515/9783110714883-007