Projekt
Programmable materials on the basis of mechanical meta-materials and smart materials
Projektbeschreibung
Programmierbare Metamaterialien zeigen durch eine Kombination von logischen Elementen und Funktionen ein unverwechselbares konditionales Verhalten. Damit rückt die Einbindung von naturinspirierten Werkstoffsystemen mit komplexen Systemfunktionen in technische Lösungen in greifbare Nähe. Herkömmliche künstliche Funktionssysteme können sich weniger flexibel an Veränderungen der äußeren Umgebung anpassen als biologische Pflanzen, die ihr Überleben und Wachstum sichern müssen. Programmierbare Metamaterialien mit eingebauten logischen Bedingungen (z. B. wenn-dann-sonst-Ausdrücke) könnten jedoch Selbstheilungs- und Selbstreparaturfunktionen für technische Anwendungen verfügbar machen. In meiner Forschung übertrage ich biologische Mechanismen in programmierbare Metamaterialien und erörtere die Prozesse, die für ihre Umsetzung in technische Lösungen notwendig sind.
Projektergebnis
Wir haben kürzlich Flussdiagramme ausgewählter Pflanzenmodelle (z.B. D. copperi, A. macrophylla und E. tirucalli) vorgestellt, die unterschiedliche Selbstabdichtungsmechanismen aufweisen, die auf Hydraulik, mechanischen Instabilitäten und Saftabgabe beruhen. Auf der Grundlage der von Pflanzen inspirierten Kontrollflüsse haben wir technische Aussagen zur Klassifizierung von Metamaterialmechanismen und Einheitszellen programmierbarer mechanischer Metamaterialien getroffen. Diese bieten mögliche Lösungen für die einzelnen Schritte des Dichtungsprozesses in technischen Anwendungen. Eine gemeinsame Sprache von Flussdiagrammen vereinfacht die Übertragung von Funktionsprinzipien aus Anlagenmodellen in technische Anwendungen. Programmierbare mechanische Metamaterialien erweitern den verfügbaren Gestaltungsspielraum von Werkstoffen und erhöhen die Realisierbarkeit von selbstabdichtenden Funktionen nach dem Vorbild von Pflanzen.
Erstbetreuer
Prof. Dr. Chris Eberl
Bo Cao arbeitete bei livMats von Oktober 2020 - April 2023.
Derzeitige Position
Ab April 2023 außerordentlicher Professor an der Fakultät für Zivilluftfahrt der Northwestern Polytechnical University.
Publikationen in livMatS
- Manufacturing size effect on the structural and mechanical properties of additively manufactured Ti-6Al-4V microbeams*
Yin, K., Cao, B., Todt, J., Gutmann, F., Tunçay, H. F., Roth, A., Fischer, F., Grübel, N., Pfaff, A., Ganzenmüller, G., Keckes, J., Hiermaier, S. & Eberl, C. (2023). Manufacturing size effect on the structural and mechanical properties of additively manufactured Ti-6Al-4V microbeams. Journal of Materials Science & Technology, 149, 18-30. doi: 10.1016/j.jmst.2022.12.006
- Flow charts as a method to transfer self-sealing from plant models into programmable materials and related challenges*
Cao, B., Ghavidelnia, N., Speck, O., & Eberl, C. (2023). Flow charts as a method to transfer self-sealing from plant models into programmable materials and related challenges. Programmable Materials, 1, e12. doi: 10.1017/pma.2023.11
- Flow charts as a method to transfer self-sealing from plant models into programmable materials and related challenges*
Cao, B., Ghavidelnia, N., Speck, O., & Eberl, C. (2022). Flow charts as a method to transfer self-sealing from plant models into programmable materials and related challenges. Programmable Materials (under review)
* Funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany's Excellence Strategy – EXC-2193/1 – 390951807