Digitaalista materiaalia. Kuva: Airbus

Enemmän kuin älykäs palapeli

Kyse ei ole uudenlaisesta aikuisten palapelistä, vaan siitä, että tietokoneen avulla voidaan suunnitella hyvinkin monimutkaisia rakenteita, joiden rakenneosina ovat yksinkertaiset, erilliset, samanlaiset rakennepalaset. Vaikkapa metallista tai komposiiteista tehtyt palaset napsahtavat kiinni toisiinsa kuin proteiinit aminohapoissa ja niistä voidaan rakentaa suuriakin, kevyitä ja kestäviä kappaleita. Palaset ovat vähän kuin Legoja tai Meccano-rakennussarjan palasia, joista voidaan koota kokonaisia kappaleita.

Tätä lelumaista ideaa on tutkittu tiiviisti Massachusettsin Teknillisessä Instituutissa, legendaarisessa MIT:ssa, missä Bittien ja Atomien keskuksessa työskentelevien tutkijoiden Kenneth Cheungin ja Neil Gershenfeldin artikkeli aiheesta julkaistiin viime viikolla Science-lehdessä.

Kaksikon idea on käyttää paitsi toisiinsa kiinnittyviä rakennuspalasia, niin myös liittää ne toisiinsa erityisellä geometrialla, mitä käyttämällä tuloksena olevat kappaleet ovat 10 kertaa kestävämpiä kuin aiemmat samanmassaiset kevytrakenteet. Koska kappale koostuu osista, on sen kokoaminen ja purkaminen yhtä helppoa kuin Legoilla leikkiminen, minkä lisäksi mahdolliset vauriot voidaan korjata erittäin yksinkertaisesti: vain vauriokohdan kappaleet pitää vaihtaa uusiin.

Tekniikkaa voikin verrata suoraan biologisiin systeemeihin, missä paikalliset vauriot – haavat ja murtumat – korjaantuvat paikalle kasvavilla uusilla soluilla, paitsi että (ainakaan toistaiseksi) rakennuspalikat eivät pysty itse kasvamaan ja tulemaan paikoilleen. On helppo kuitenkin kuvitella korjausrobotti, joka tarkistaisi rakennetta itsekseen ja korjaisi sitä uusilla palasilla tarpeen mukaan.

Kuvassa olevat palaset ovat vielä suurikokoisia, mutta rakennuspalikat voisivat olla myös hyvin pieniä. Materiaaleina voidaan käyttää komposiittien ja metallien lisäksi muoveja sekä vaikkapa biologisia materiaaleja, kenties solujakin.

Niitä voidaan vaikkapa tulostaa 3D-tulostimella, ja palasista on mahdollista koota suurikokoisiakin kappaleita. Tämä tekee mahdolliseksi suuret säästöt rakentamisessa.

Käyttökohteissa vain mielikuvitus on rajana, mutta ensimmäisenä tekniikka tullee käyttöön kohteissa, missä kaivataan kevyitä ja kestäviä, helposti korjattavia rakenteita. Sellaisia ovat mm. ilmailu- ja avaruustekniikka sekä sillat.

Uudenlaista rakennetta testataan. Kuva: MIT, Kenneth Cheung

Kokoa oma Airbus?

Samaan aikaan Sciencen artikkelin julkaisun kanssa MIT ja lentokoneenvalmistaja Airbus kertoivat allekirjoittaneensa tutkimussopimuksen tämän digitaalisen valmistuksen hyödyntämisestä ilmailussa. Tarkoituksena on arvioida miten tekniikka oikeasti soveltuu lentokoneisiin ja kuinka sitä voidaan hyödyntää teollisessa mittakaavassa.

Tekniikka voi johtaa aivan uudenlaiseen tapaan koota lentokoneita. Perinteisestihän lentokoneet on koottu suurista yksittäisistä osista, jotka on rakennettu erikseen usein, mutta uusi tekniikka voisi tehdä valmistamisesta edullisempaa ja kätevämpää. Monet yksittäiset osat valmistetaan esimerkiksi suuresta metallikappaleesta jyrsimällä, siis metallia siitä irrottamalla, jolloin jäljelle jää vain halutun näköinen kappale. Tämä paitsi rajoittaa muodon sellaiseksi, että se voidaan tehdä jyrsimin, mutta myös on hyvin epätaloudellista, vaikka suuri osa "jätemetallista" voidaankin käyttää uudelleen. Paloista kokoaminen käyttää vain minimimäärän ainetta ja mahdollistaa kokonaan uusia muotoja; tämä keventää lentokoneen rakenteita huomattavasti sekä alentaa rakennus- ja kokoonpanokuluja.

Kaikki lentokoneenvalmistajat etsivät uusia tapoja suunnitella ja valmistaa lentokoneita, ja tähän saakka suurin huomio on ollut materiaalien kehittämisen lisäksi 3D-tulostuksessa. Sitä käytetään jo pienimuotoisesti, mutta sillä on suuret lupaukset tulevaisuudessa, sillä se tekee mahdollisesti suuret säästöt massassa, osien muotoilussa sekä säästää olennaisesti kustannuksissa.

Monenlaisia rakenteita. Kuva: MIT, Kenneth Cheung

Juttuja samasta aiheesta