La naturaleza tiene una forma de hacer formas complejas a partir de un conjunto de reglas de crecimiento simples. La curva de un pétalo, el movimiento de una rama, incluso los contornos de nuestra cara están formados por estos procesos. ¿Qué pasaría si pudiéramos desbloquear esas reglas y¿La capacidad de la ingeniería inversa de la naturaleza para desarrollar una variedad infinitamente diversa de formas?
Los científicos de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences SEAS han hecho exactamente eso. En un artículo publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , un equipo de investigadores de SEAS y el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada demuestran una técnica para hacer crecer cualquier forma objetivo desde cualquier forma inicial.
"El arquitecto Louis Sullivan dijo una vez que 'la forma siempre sigue a la función'", dijo L. Mahadevan, Profesor de Matemática Aplicada de Lola England de Valpine, de Biología Organística y Evolutiva y de Física y autor principal del estudio. "Pero siuno tomó la perspectiva opuesta, que tal vez la función debería seguir la forma, ¿cómo podemos invertir la forma del diseño? "
En investigaciones anteriores, el grupo de Mahadevan utilizó experimentos y teoría para explicar cómo las estructuras que se transforman naturalmente, como atrapamoscas de Venus, conos de pino y flores, cambiaron su forma con la esperanza de algún día poder controlar e imitar estos procesos naturalesY, de hecho, los experimentadores han comenzado a aprovechar el poder de patrones de crecimiento simples y bioinspirados. Por ejemplo, en 2016, en colaboración con el grupo de Jennifer Lewis, la profesora de ingeniería biológicamente inspirada de Hansjorg Wyss en SEAS y miembro de la facultad central de laEl Instituto Wyss, el equipo imprimió una serie de estructuras que cambiaron su forma con el tiempo en respuesta a los estímulos ambientales.
"El desafío era cómo resolver el problema inverso", dijo Wim van Rees, becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo. "Hay mucha investigación en el lado experimental pero no hay suficiente en el lado teórico paraexplique qué está pasando realmente. La pregunta es, si quiero terminar con una forma específica, ¿cómo diseño mi estructura inicial? "
Inspirados por el crecimiento de las hojas, los investigadores desarrollaron una teoría sobre cómo modelar las orientaciones de crecimiento y las magnitudes de una bicapa, dos capas diferentes de materiales elásticos pegados que responden de manera diferente a los mismos estímulos. Al programar una capa para que se hinche másy / o en una dirección diferente a la otra, la forma general y la curvatura de la bicapa pueden controlarse completamente. En principio, la bicapa puede estar hecha de cualquier material, en cualquier forma, y responder a cualquier estímulo del calor a la luz,hinchazón, o incluso crecimiento biológico.
El equipo desentrañó la conexión matemática entre el comportamiento de la bicapa y el de una sola capa.
"Encontramos una relación muy elegante en un material que consta de estas dos capas", dijo van Rees. "Puede tomar el crecimiento de una bicapa y escribir su energía directamente en términos de una monocapa curva".
Eso significa que si conoce las curvaturas de cualquier forma, puede aplicar ingeniería inversa a los patrones de energía y crecimiento necesarios para hacer crecer esa forma usando una bicapa.
"Este tipo de problema de ingeniería inversa es notoriamente difícil de resolver, incluso usando días de cómputo en una supercomputadora", dijo Etienne Vouga, ex becario postdoctoral en el grupo, ahora profesor asistente de informática en la Universidad de Texas en Austin"Al dilucidar cómo la física y la geometría de las bicapas están íntimamente acopladas, pudimos construir un algoritmo que resuelve el patrón de crecimiento necesario en segundos, incluso en una computadora portátil, sin importar cuán complicada sea la forma del objetivo".
Los investigadores demostraron el sistema al modelar el crecimiento de un pétalo de flor de dragón a partir de un cilindro, un mapa topográfico de la cuenca del río Colorado a partir de una lámina plana y, lo más sorprendente, la cara de Max Planck, uno de los fundadores de la física cuántica, desde un disco.
"En general, nuestra investigación combina nuestro conocimiento de la geometría y la física de conchas delgadas con nuevos algoritmos matemáticos y cálculos para crear reglas de diseño para la forma de ingeniería", dijo Mahadevan. "Allana el camino para los avances de fabricación en la impresión 4-D deelementos ópticos y mecánicos que cambian de forma, robótica suave e ingeniería de tejidos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Original escrito por Leah Burrows. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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