Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Programovatelné materiály jsou z pohledu technické praxe skutečnými „převlékači kabátů“. Dokážou – obrazně řečeno na pouhé stisknutí tlačítka – měnit řízeným a vratným způsobem své vlastnosti a tak se nezávisle přizpůsobovat měnícím se podmínkám. Použití mohou najít např. jako součást pohodlných křesel či matrací bránících vzniku proleženin u špatně pohyblivých pacientů. Za tímto účelem je oporu těla třeba vytvarovat tak, aby styčná plocha byla pokud možno velká, což znamená menší tlak na pokožku. Vývoji programovatelných materiálů se v současné době věnují výzkumníci v klastru Fraunhoferovy společnosti pro výzkum programovatelných materiálů (Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials – Fraunhofer CPM). Účelem je dovést tyto materiály s pomocí partnerů z průmyslu ke komerčnímu využití. Jedním z cílů je také dosáhnout menší spotřeby zdrojů.
Mnoho lidí po celém světě je upoutaných na lůžko – důvodem může být choroba, úraz či stáří. Protože tito postižení často nedokážou změnit vlastní silou svoji polohu, natož se např. otočit, čmohou se jim na těle vytvořit bolestivé proleženiny. V budoucnu by mělo být možné proleženinám předcházet použitím podložek vytvořených s použitím tzv. programovatelných materiálů schopných samy o sobě zcela měnit svůj tvar i mechanické vlastnosti. Například podporu těla matracemi vyrobenými z programovatelných materiálů lze v libovolném místě v posledku upravit pouhým stisknutím ovládacího tlačítka. Podpůrná vrstva je mimoto formována tak, že silný tlak působící v jednom místě se může rozložit na větší plochu. Místa na lůžku či křesle vystavená působení tlaku automaticky změknou a stanou se pružnějšími. Pečující osoby mohou také nastavit ergonomickou polohu lehu nebo sedu co nejlépe vyhovující pacientovi.
Materiály s mikrostrukturou
Vývoj a výroba programovatelných materiálů vhodných pro úlohy vyžadující specifické změny tuhosti či tvaru objektů probíhají ve výzkumně-vývojovém klastru Fraunhofer CPM, sestávajícím ze šesti hlavních a mnoha dalších podpůrných pracovišť. Tedy jak je možné programovat materiály? „V principu lze požadované přizpůsobivosti dosáhnout dvěma způsoby. Buď použitím přizpůsobivých materiálů – termoplastických polymerů v případě matrací a slitin kovů, včetně těch s tvarovou pamětí – nebo, a to s větší určitostí, orientací na mikrostrukturu metamorfního materiálu,“ vysvětluje Dr. Heiko Andrä, mluvčí Fraunhoferova ústavu pro průmyslovou matematiku ITWM (Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik), jednoho z hlavních ústavů klastru Fraunhofer CPM. „Mikrostrukturu metamorfních materiálů představují takzvané jednotkové buňky, jejichž konstrukčními prvky jsou malé nosníky a tenké skořepiny.“ Zatímco u běžných materiálů s buňkami, jako např. pěn, jsou rozměry každé jednotlivé buňky a jejích konstrukčních prvků v určitých mezích náhodné, u programovatelných materiálů jsou rozměry buněk a jejich konstrukčních prvků sice také proměnné, ale lze je přesně definovat, tj. programovat. Naprogramováním materiálu lze dosáhnout např. toho, že tlak v určitém místě bude mít za následek žádoucí změny na jiných místech matrace vedoucí k nárůstu plochy kontaktu a tím dosažení optimální podpory určitých oblastí na povrchu těla.
Materiály mohou reagovat také na teplotu a vlhkost
Změnu tvaru, která nastane, a podnět, na který materiál reaguje – mechanické napětí, teplo, vlhkost, nebo dokonce i elektrické nebo magnetické pole –, lze předem určit volbou materiálu a jeho mikrostruktury. „Programovatelné materiály umožňují přizpůsobit výsledné produkty podle požadavků určité konkrétní úlohy nebo osoby, takže z nich vytvořené komponenty jsou mnohem univerzálněji použitelné než ty dosavadní. Jako takové je tudíž není třeba tak často měnit. To je zvlášť důležité z hlediska úspory materiálu a udržitelného rozvoje,“ říká Franziska Wenzová, zastupující mluvčí Fraunhoferova ústavu pro mechaniku materiálů IWM (Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM), dalšího z ústavů klastru Fraunhofer CPM. Skutečnost, že produkty jsou přizpůsobeny individuálním potřebám uživatelů, znamená další přidanou hodnotu.
Cesta do praxe
Jediný kousek vhodného materiálu může nově nahradit celou soustavu snímačů, regulátorů a akčních členů. Cílem Fraunhoferova klastru CPM je zjednodušit celou sestavu komponent integrováním potřebných funkcí do samotného materiálu a zmenšit její materiálovou rozmanitost. „Při vývoji programovatelných materiálů máme vždy na zřeteli průmyslové výrobky. Za tím účelem bereme mimo jiné v úvahu otázky hromadné výroby, únavy materiálu a podobě,“ vysvětluje Franziska Wenzová. Současně již také probíhají první pilotní projekty ve spolupráci s partnery z průmyslu. Výzkumný tým předpokládá, že z počátku budou programovatelné materiály využity jako náhrada komponent stávajících prostředků a zařízení či ve speciálních produktech typu lékařských matrací, pohodlných křesel, bot s podrážkami s proměnným tlumením a ochranného oblečení. „Podíl programovatelných materiálů na celkové spotřebě pak postupně poroste,“ předpovídá Dr. Andrä. V budoucnu je bude možné nalézt doslova všude – od lékařské a zdravotní techniky a sportovních potřeb po robotiku, dokonce i při výzkum kosmu.
[Changing shapes at the push of a button. Pressemitteilung Fraunhofer CPM, 2. 1. 2023.]
(sk)
Obr. 1. Nahoře: místní změnu tuhosti a tvaru lze nastavit pokrytím filmu obrazcem; dole: programovatelný materiál lze vytvořit navrstvením fólií různé efektivní tloušťky (zdroj: Fraunhofer ICT)
Obr. 2. Vlevo: jednotková buňka sestavená z konstrukčních prvků; uprostřed: materiál vytvořený jako sestava jednotkových buněk; vpravo: vzorek materiálu vytvořený technikou 3D tisku (zdroj: Fraunhofer IWM)