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Metamaterial devices

Metamaterial-Geräte

  • Digital fabrication machines such as 3D printers excel at producing arbitrary shapes, such as for decorative objects. In recent years, researchers started to engineer not only the outer shape of objects, but also their internal microstructure. Such objects, typically based on 3D cell grids, are known as metamaterials. Metamaterials have been used to create materials that, e.g., change their volume, or have variable compliance. While metamaterials were initially understood as materials, we propose to think of them as devices. We argue that thinking of metamaterials as devices enables us to create internal structures that offer functionalities to implement an input-process-output model without electronics, but purely within the material’s internal structure. In this thesis, we investigate three aspects of such metamaterial devices that implement parts of the input-process-output model: (1) materials that process analog inputs by implementing mechanisms based on their microstructure, (2) that process digital signals by embeddingDigital fabrication machines such as 3D printers excel at producing arbitrary shapes, such as for decorative objects. In recent years, researchers started to engineer not only the outer shape of objects, but also their internal microstructure. Such objects, typically based on 3D cell grids, are known as metamaterials. Metamaterials have been used to create materials that, e.g., change their volume, or have variable compliance. While metamaterials were initially understood as materials, we propose to think of them as devices. We argue that thinking of metamaterials as devices enables us to create internal structures that offer functionalities to implement an input-process-output model without electronics, but purely within the material’s internal structure. In this thesis, we investigate three aspects of such metamaterial devices that implement parts of the input-process-output model: (1) materials that process analog inputs by implementing mechanisms based on their microstructure, (2) that process digital signals by embedding mechanical computation into the object’s microstructure, and (3) interactive metamaterial objects that output to the user by changing their outside to interact with their environment. The input to our metamaterial devices is provided directly by the users interacting with the device by means of physically pushing the metamaterial, e.g., turning a handle, pushing a button, etc. The design of such intricate microstructures, which enable the functionality of metamaterial devices, is not obvious. The complexity of the design arises from the fact that not only a suitable cell geometry is necessary, but that additionally cells need to play together in a well-defined way. To support users in creating such microstructures, we research and implement interactive design tools. These tools allow experts to freely edit their materials, while supporting novice users by auto-generating cells assemblies from high-level input. Our tools implement easy-to-use interactions like brushing, interactively simulate the cell structures’ deformation directly in the editor, and export the geometry as a 3D-printable file. Our goal is to foster more research and innovation on metamaterial devices by allowing the broader public to contribute.show moreshow less
  • Digitale Fabrikationsmaschinen, wie 3D-Drucker, eignen sich hervorragend um beliebige Formen zu produzieren. Daher sind sie bei Endnutzern für die Erstellung von dekorativen Elementen sehr beliebt. Forscher hingegen haben in den letzten Jahren damit begonnen, nicht nur die äußere Form zu betrachten, sondern auch Mikrostrukturen im Inneren. Solche Strukturen, die meist auf einem 3-dimensionalen Gitter angeordnet sind, sind als "Metamaterialien" bekannt. Metamaterialien wurden entwickelt, um Eigenschaften wie Volumenänderung oder lokalisiert die Steifheit des Materials zu steuern. Traditionell werden Metamaterialien als Materialien betrachtet, wir hingegen betrachten sie als Geräte. In dieser Arbeit zeigen wir, dass die Betrachtung von Metamaterialien als Geräte es erlaubt Strukturen zu kreieren, die Geräte nach dem Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe Prinzip realisieren -- und das gänzlich ohne Elektronik. Wir untersuchen 3 Aspekte von solchen funktionsfähigen Metamaterial-Geräten die jeweils Teile des EVA Prinzips implementieren: (1)Digitale Fabrikationsmaschinen, wie 3D-Drucker, eignen sich hervorragend um beliebige Formen zu produzieren. Daher sind sie bei Endnutzern für die Erstellung von dekorativen Elementen sehr beliebt. Forscher hingegen haben in den letzten Jahren damit begonnen, nicht nur die äußere Form zu betrachten, sondern auch Mikrostrukturen im Inneren. Solche Strukturen, die meist auf einem 3-dimensionalen Gitter angeordnet sind, sind als "Metamaterialien" bekannt. Metamaterialien wurden entwickelt, um Eigenschaften wie Volumenänderung oder lokalisiert die Steifheit des Materials zu steuern. Traditionell werden Metamaterialien als Materialien betrachtet, wir hingegen betrachten sie als Geräte. In dieser Arbeit zeigen wir, dass die Betrachtung von Metamaterialien als Geräte es erlaubt Strukturen zu kreieren, die Geräte nach dem Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe Prinzip realisieren -- und das gänzlich ohne Elektronik. Wir untersuchen 3 Aspekte von solchen funktionsfähigen Metamaterial-Geräten die jeweils Teile des EVA Prinzips implementieren: (1) Materialien, die analoge Eingabe als Mechanismen, die durch ihre Mikrostruktur bestimmt sind, verarbeiten, (2) Materialien, die digitale Eingabe verarbeiten und mechanische Berechnungen in ihrer Mikrostruktur durchführen und (3) Materialien, die ihre äußere Textur dynamisch verändern können um mit dem Nutzer zu kommunizieren. Die Eingabe für Metamaterial-Geräte ist in dieser Arbeit direkt durch den Nutzer gegeben, der mit dem Gerät interagiert, zum Beispiel durch Drücken eines Griffs, eines Knopfes, etc. Das Design von solchen filigranen Mikrostrukturen, die die Funktionalität der Metamaterial-Geräte definieren, ist nicht offensichtlich oder einfach. Der Designprozess ist komplex, weil nicht nur eine Zellstruktur gefunden werden muss, die die gewünschte Deformation durchführt, sondern die Zellstrukturen zusätzlich auf wohldefinierte Weise zusammenspielen müssen. Um Nutzern die Erstellung von diesen Mikrostrukturen zu ermöglichen, unterstützen wir sie durch interaktive Computerprogramme, die wir in dieser Arbeit untersuchen und implementieren. Wir haben Software entwickelt, die es Experten erlaubt die Mikrostrukturen frei zu platzieren und zu editieren, während Laien durch automatisch generierte Strukturen geholfen wird. Unsere Software beinhaltet einfach zu bedienende Interaktionskonzepte, wie zum Beispiel das aufmalen von funktionalen Eigenschaften auf Objekte, eine integrierte Vorschau der Deformation, oder der 3D-druckfähige Export der erstellten Geometrie. Das Ziel dieser Arbeit ist es langfristig Forschung und Innovation von Metamaterial-Geräten zu fördern, so dass sich sogar die breite Masse in das Thema einbringen kann.show moreshow less

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Metadaten
Author:Alexandra IonORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429861
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-42986
Referee:Scott E. HudsonORCiD, Sriram SubramanianORCiD
Advisor:Patrick Baudisch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/04/26
Release Date:2019/07/04
Tag:3D-Druck; Fabrikation; Metamaterialien; computergestützte Gestaltung; programmierbare Materie
3D printing; computational design; fabrication; metamaterials; programmable matter
Pagenumber:x, 173
RVK - Regensburg Classification:ST 308, ZM 9050
Organizational units:Digital Engineering Fakultät / Hasso-Plattner-Institut für Digital Engineering GmbH
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung, Nicht kommerziell 4.0 International