Programmable design of mechanical metamaterials
Programmeerbaar ontwerp van mechanische metamaterialen
Mechanische metamaterialen (MMMs) zijn ontworpen materialen met ongekende eigenschappen die voortkomen uit hun microstructurele ontwerp in plaats van uit de intrinsieke materiaalsamenstelling. In zijn proefschrift onderzoekt Zhaohang Zhang het programmeerbare ontwerp van MMMs, met een focus op roosvormige eenheidscellen met instelbare Poisson-verhouding en stijfheid.
Zhang ontwikkelde systematische kaders voor het ontwerpen van vlakke en buisvormige structuren met programmeerbare vormveranderingsmogelijkheden. Eindige-elementenanalyse en experimentele validatie tonen de effectiviteit van deze ontwerpen aan bij het bereiken van nauwkeurige vervormingsmodi, waaronder uitzetting, buiging en verdraaiing. Zhang onderzoekt ook de toepassing van MMMs in weefseltechniek, waarbij hij gebruik maakt van Melt Electrowriting (MEW) om steigers te fabriceren met op maat gemaakte mechanische eigenschappen.
Zhang ontwikkelde computationele modellen om steigerarchitecturen te optimaliseren, waardoor de afhankelijkheid van trial-and-error-methoden wordt verminderd. Daarnaast verkent hij het potentieel van MMMs in energieabsorptie, zachte robotica en biomedische apparaten, met nadruk op schaalbare productie en multifunctionele toepassingen.
Door computationeel ontwerp, additieve productie en experimentele validatie te integreren, overbrugt dit werk de kloof tussen theoretische concepten en praktische toepassingen. Toekomstige onderzoekslijnen omvatten het gebruik van machine learning-algoritmen voor geautomatiseerde en realtime optimalisatie van mechanische eigenschappen, het bevorderen van 4D-printen voor stimuli-responsieve metamaterialen en het verbeteren van productietechnieken om precisie en schaalbaarheid te vergroten. Dit proefschrift draagt bij aan de ontwikkeling van adaptieve, kosteneffectieve en toepassingsgerichte MMMs, en effent de weg voor hun implementatie in diverse domeinen zoals lucht- en ruimtevaart, robotica en regeneratieve geneeskunde.
Zhaohang Zhang voerde zijn onderzoek uit bij het Engineering and Technology institute Groningen (ENTEG), afdeling Computational Mechanical and Materials Engineering, met financiering van het Chinese Scholarship Council.