Metamateriaalit ovat synteettisiä rakenteita, joilla on epätavallisia ominaisuuksia, joita ei tyypillisesti löydy luonnonmateriaaleista. Pelkästään kemiallisen koostumuksen sijaan näiden materiaalien tehokas käyttäytyminen määräytyy ensisijaisesti fyysisen rakenteen eli niiden rakennuspalikoiden erityisen muodon, järjestelyn ja mittakaavan perusteella.
Kongin ja Ricen tiimin suunnittelema uusi metamateriaali omaa ainutlaatuisen yhdistelmän vakautta ja muodonmuutosta, jota tutkijoiden mukaan ei ole koskaan aiemmin saavutettu näin pehmeissä rakenteissa. Tämä metamateriaali on myös huomattavan vahva – se kestää yli 10 kertaa oman painonsa suuruisia puristuskuormia ja säilyttää suorituskykynsä fysiologisia olosuhteita reilusti ylittävissä lämpötiloissa sekä ankarissa kemiallisissa ympäristöissä.
”Ohjelmoimme pehmeään rakenteeseen monistabiilisuuden eli kyvyn esiintyä useissa stabiileissa tiloissa sisällyttämällä siihen geometrisia ominaisuuksia, kuten puolisuunnikkaan muotoisia tukisegmenttejä ja vahvistettuja palkkeja”, sanoi Ricen yliopiston konetekniikan apulaisprofessori Kong. George R. Brownin tekniikan ja tietojenkäsittelyn tiedekunta”Nämä elementit luovat energiaesteen, joka lukitsee rakenteen uuteen muotoonsa myös ulkoisen käyttövoiman poistamisen jälkeen.”
Kongin ja hänen Ricen yliopiston tiiminsä suunnittelemaa uutta metamateriaalia voidaan ohjata etänä, jolloin sen kokoa ja muotoa voidaan muuttaa nopeasti. Kuva: Jorge Vidal/Rice University
Metamateriaalin pehmeä arkkitehtuuri auttaa ratkaisemaan kriittisiä lääketieteellisen turvallisuuden huolenaiheita, kuten mahahaavoja, pistovammoja ja tulehduksia, joita voi esiintyä jäykistä komponenteista valmistetuista implantoitavista ja nieltävistä laitteista.
Kong ja hänen tiiminsä käyttivät 3D-tulostusta luodakseen muotteja, jotka muodostavat toisiinsa yhteydessä olevia mikroarkkitehtuureja kallistetuista palkeista ja tukisegmenteistä. Tämä rakenne mahdollistaa nopean vaihtamisen avoimen (pois päältä) ja suljetun (päällä) tilan välillä, ja muuttunut kokoonpano säilyy myös magneettikentän poistamisen jälkeen. Yhdistämällä monia tällaisia yksikkösoluja ”rakennuspalikoiksi” ne muodostavat 3D-rakenteen, joka voi paitsi muuttaa muotoaan myös tuottaa monimutkaisia peristalttisia liikkeitä nesteiden liikuttamiseksi tai toimittamiseksi hallitusti magneettikentän vaikutuksesta.
Merkittävää on, että materiaali toimi edelleen luotettavasti jopa pitkäaikaisen mekaanisen rasituksen ja happaman korroosion jälkeen, jotka jäljittelevät ihmisen mahalaukun ankaria olosuhteita.
Vasemmalta oikealle Jian Teng, Yong Lin Kong ja Brian Elder. Kuvan lähde: Jorge Vidal/Rice University
”Metamateriaali mahdollistaa laitteiden koon ja muodon etäohjauksen kehon sisällä. Tämä voi mahdollistaa ihmishenkiä pelastavia ominaisuuksia, kuten laitteen sijainnin tarkan hallinnan, lääkkeiden toimittamisen tarvittaessa tai kohdennettujen mekaanisten voimien kohdistamisen syvälle kehon sisään”, Kong sanoi. ”Hyödynnämme nyt tätä metamateriaalia kehittääksemme nieltäviä järjestelmiä, jotka saattavat jonain päivänä hoitaa ihmisten lihavuutta tai parantaa merinisäkkäiden terveyttä, ja teemme yhteistyötä Texas Medical Centerin kirurgien kanssa suunnitellaksemme langattomia fluidiohjausjärjestelmiä vastaamaan täyttämättömiin kliinisiin tarpeisiin.”
Lähde: Rice University
Rice Universityn Yong Lin Kongin johtamat tutkijat ovat kehittäneet pehmeän mutta vahvan metamateriaalin, jota voidaan ohjata etänä.