Tshikwand, Georgino Kaleng, Dr.-Ing.

SoftFrac will revolutionise geometrically nonlinear fracture mechanics of soft materials (in short soft fracture) by capitalising on configurational mechanics, an unconventional continuum formulation that I helped shaping over the past decades. Mastering soft fracture will result in disruptive progress in designing the failure resilience of soft devices, i.e. soft robotics, stretchable electronics and tissue engineering applications. Soft materials are challenging since they can display moduli as low as only a few kPa, thus allowing for extremely large deformations. Geometrically linear fracture mechanics is well established, nevertheless not applicable for soft fracture given the over-restrictive assumptions of infinitesimal deformations. The appropriate geometrically nonlinear, finite deformation counterpart is, however, still in its infancy. By combining innovative data-driven/data-adaptive constitutive modelling with novel configurational-force-driven fracture onset and crack propagation, I will overcome the fundamental obstacles to date preventing significant progress in soft fracture. I propose three interwoven research Threads jointly addressing challenging theoretical, computational and experimental problems in soft fracture. The theoretical Thread establishes a new constitutive modelling ansatz for soft in/elastic materials, and develops the transformational configurational fracture approach. The computational Thread provides the associated novel algorithmic setting and delivers high-fidelity discretisation schemes to numerically follow crack propagation driven by accurately determined configurational forces. The experimental Thread generates and analyses comprehensive experimental data of soft materials and their geometrically nonlinear fracture for properly calibrating and validating the theoretical and computational developments. Ultimately, SoftFrac, for the first time, opens up new horizons for holistically exploring the nascent field soft fracture.

Programmierbare Materialien (PM) sind ein neues, im Entstehen begriffenes Forschungsgebiet, das auf selbstfaltendem Origami basiert. Origami beschreibt eine Vielzahl von Technologien, mit denen ebene Folien durch wiederholtes Falten in dreidimensionale (3D) Strukturen überführt werden können. Dieser Ansatz wird schon erfolgreich in vielen Bereichen der Ingenieurswissenschaften eingesetzt, z. B. für die Montage und in der Robotik. Im Prinzip kann mit diesem Ansatz jede dreidimensionale Form alleine durch Falten entstehen. Die grundlegende Idee ist hierbei, dass sich PM bei Bedarf selbst reversibel in die unterschiedlichsten Formen umwandelt und so eine Vielzahl von Aufgaben erfüllen kann. Das ursprünglich, planare System besteht aus miteinander verbundenen Kacheln, die sich mithilfe von integrierten Biegeaktoren und magnetischen Verriegelungsmechanismen autonom in die vorgegebene Form bringen. Hierdurch können unterschiedlichste 3D Geometrien realisiert werden, die eine Vielzahl von Funktionen erlauben. Aktuelle Demonstratoren verwenden Biegeaktoren aus dünnen Nitinol-Folien, die das System jedoch nur zusammenfalten können, da sie den Einweg-Formgedächtniseffekt verwenden. Das für die Wiederverwendung notwendige Auseinanderfalten in die flache Form muss deshalb noch manuell erfolgen. Dieses Konzept wurde bisher nur auf der makroskopischen Längenskala demonstriert und somit limitiert die bisherigen Technologien die Größe der Kacheln auf mehrere Millimeter. In diesem Projekt übertragen wir dieses Aktorkonzept auf die Mikrotechnolgie indem wir neueste Methoden der integrierten Mikrosystemtechnik, multifunktionale Schichten und gekoppelte Simulationsverfahren kombinieren. Da ein manuelles Auseinanderfalten auf der Mikroskala nicht möglich ist, führen wir kooperative bi-direktionale Aktoren ein, die große Biegewinkel von bis zu 180° ermöglichen. Darüber hinaus werden wir einen multistabilen, magnetischen Mechanismus einführen, der sowohl Verriegelung als auch Entriegelung auf der Mikrometerskala erlaubt. Die Kooperation dieser Komponenten ist erforderlich damit sich dieses Mikroaktorsystem autonom und reversibel zwischen unterschiedlichsten 3D Formen umwandeln kann. Daher zielt dieses Projekt auf die kontrollierte Kopplung der Aktor-Komponenten in mikro-PM um ein mehrstufiges multistabiles Falten zu erreichen. Dieses neue Konzept von wieder-programmierbaren Mikro-Materialien erlaubt somit sowohl die Bildung und mehrstufige Anpassung seiner 3D Form auf verschiedenen Längenskalen, als auch seine Wiederverwendung durch aktives Entfalten. Um viele Kacheln herzustellen und eine hohe Integrationsdichte zu realisieren, verfolgen wir eine monolithische Herstellungsroute. Die Entwicklung geeigneter Methoden und Verfahren zur Herstellung von wieder-programmierbaren Mikro-Materialien erfordert einen interdisziplinären Ansatz. Deshalb kombiniert dieses Projekt die Expertise zu funktionalen Schichten (S. Fähler), Mikrosystemtechnologie (M. Kohl) und Systemsimulationen (F. Wendler).

Programmierbare Materialien (PM) sind ein neues, im Entstehen begriffenes Forschungsgebiet, das auf selbstfaltendem Origami basiert. Origami beschreibt eine Vielzahl von Technologien, mit denen ebene Folien durch wiederholtes Falten in dreidimensionale (3D) Strukturen überführt werden können. Dieser Ansatz wird schon erfolgreich in vielen Bereichen der Ingenieurswissenschaften eingesetzt, z. B. für die Montage und in der Robotik. Im Prinzip kann mit diesem Ansatz jede dreidimensionale Form alleine durch Falten entstehen. Die grundlegende Idee ist hierbei, dass sich PM bei Bedarf selbst reversibel in die unterschiedlichsten Formen umwandelt und so eine Vielzahl von Aufgaben erfüllen kann. Das ursprünglich, planare System besteht aus miteinander verbundenen Kacheln, die sich mithilfe von integrierten Biegeaktoren und magnetischen Verriegelungsmechanismen autonom in die vorgegebene Form bringen. Hierdurch können unterschiedlichste 3D Geometrien realisiert werden, die eine Vielzahl von Funktionen erlauben. Aktuelle Demonstratoren verwenden Biegeaktoren aus dünnen Nitinol-Folien, die das System jedoch nur zusammenfalten können, da sie den Einweg-Formgedächtniseffekt verwenden. Das für die Wiederverwendung notwendige Auseinanderfalten in die flache Form muss deshalb noch manuell erfolgen. Dieses Konzept wurde bisher nur auf der makroskopischen Längenskala demonstriert und somit limitiert die bisherigen Technologien die Größe der Kacheln auf mehrere Millimeter. In diesem Projekt übertragen wir dieses Aktorkonzept auf die Mikrotechnolgie indem wir neueste Methoden der integrierten Mikrosystemtechnik, multifunktionale Schichten und gekoppelte Simulationsverfahren kombinieren. Da ein manuelles Auseinanderfalten auf der Mikroskala nicht möglich ist, führen wir kooperative bi-direktionale Aktoren ein, die große Biegewinkel von bis zu 180° ermöglichen. Darüber hinaus werden wir einen multistabilen, magnetischen Mechanismus einführen, der sowohl Verriegelung als auch Entriegelung auf der Mikrometerskala erlaubt. Die Kooperation dieser Komponenten ist erforderlich damit sich PM autonom und reversibel zwischen unterschiedlichsten 3D Formen umwandeln kann. Daher zielt dieses Projekt auf die kontrollierte Kopplung der Aktor-Komponenten in mikro-PM um ein mehrstufiges multistabiles Falten zu erreichen. Dieses neue Konzept von wieder-programmierbaren Mikro-Materialien erlaubt somit sowohl die Bildung und mehrstufige Anpassung seiner 3D Form auf verschiedenen Längenskalen, als auch seine Wiederverwendung durch aktives Entfalten. Um viele Kacheln herzustellen und eine hohe Integrationsdichte zu realisieren, verfolgen wir eine monolithische Herstellungsroute. Die Entwicklung geeigneter Methoden und Verfahren zur Herstellung von wieder-programmierbaren Mikro-Materialien erfordert einen interdisziplinären Ansatz. Deshalb kombiniert dieses Projekt die Expertise zu funktionalen Schichten (S. Fähler), Mikrosystemtechnologie (M. Kohl) und Systemsimulationen (F. Wendler).