Betere implantaten, robothanden en bumpers door nieuwe inzichten in metamaterialen

Metamaterialen zijn gemaakt van samengestelde materialen (composieten) en hebben een zeer nauwkeurig gecontroleerde structuur. Het is deze structuur die de eigenschappen van het metamateriaal bepaalt, niet de stoffen waaruit het is samengesteld. Een metamateriaal bestaat doorgaans uit zich herhalende identieke blokken, de zogenaamde eenheidscellen. Nieuw onderzoek door promovendus Shyam Veluvali, professor Anastasiia Krushynska en collega's van de Rijksuniversiteit Groningen, het UMCG en de Karlstad Universiteit in Zweden toont aan dat de mechanische respons van metamaterialen afhangt van het aantal eenheidscellen dat met elkaar is verbonden en de manier waarop ze gerangschikt zijn.

FSE Science Newsroom | René Fransen

In het tijdschrift Small Structures beschrijven Veluvali en collega's hoe de grootte van de bouwstenen het gedrag van een metamateriaal, zoals elasticiteit, beïnvloedt. Ze laten ook zien dat het aantal blokken de eigenschappen van het metamateriaal kan beïnvloeden. Bovendien geldt dat als er meer blokken worden toegevoegd, het gemakkelijker wordt om het structurele gedrag van een metamateriaal te voorspellen. Deze inzichten helpen om de mechanica van metamaterialen, bijvoorbeeld voor botimplantaten, met een hogere precisie te voorspellen.

Een alternatief metamateriaal

Momenteel zijn botimplantaten gemaakt van een titaniumlegering die veel stijver is dan het bot zelf. Dit betekent dat bijvoorbeeld kaakimplantaten het grootste deel van de belasting van kauwen of praten op zich nemen. Het stijve titanium vermindert daardoor de belasting op het resterende bot, met als gevolg dat het bot verzwakt doordat het zich aan deze lagere belasting aanpast. ‘Wij stellen voor om traditionele implantaten te vervangen door een alternatief metamateriaal’, zegt Veluvali. Door de structuur van het materiaal aan te passen, is het mogelijk om de stijfheid van het implantaat af te stemmen op die van het bot. In dat geval delen het bot en het implantaat de belasting en blijft het bot sterk.

Het artikel laat ook zien dat het van belang is welk type kracht op het metamateriaal wordt uitgeoefend. Veluvali: ‘We hebben ontdekt dat verschillende soorten krachten, zoals een schuifkracht, rek, of torsie verschillende effecten kunnen hebben op hetzelfde materiaal.' Dit was nog niet bekend, omdat eerdere studies zich slechts op één enkele kracht richtten.

Al deze resultaten zijn nuttig voor het ontwerp van verschillende soorten implantaten (bijvoorbeeld orthopedische of implantaten voor de ruggengraat), maar ook voor toepassingen zoals de grijpers van robotarmen of energie absorberende onderdelen zoals autobumpers. 'Onze inzichten helpen bij het ontwerpen van veiligere, duurzamere constructies voor verschillende toepassingen door de juiste blokgrootte en -indeling te kiezen.’

Referentie: H.C.V.M. Shyam Veluvali et al.: When Scale Matters: Size-Dependent Mechanics of Architected Lattices for Implants and Beyond. Small Structures, 13 January 2026