Los investigadores del MIT y de otros lugares han diseñado estructuras en forma de malla impresas en 3D que se transforman de capas planas en formas predeterminadas, en respuesta a los cambios en la temperatura ambiente. Las nuevas estructuras pueden transformarse en configuraciones que son más complejas que cualquier otra forma.Se pueden lograr cambios de materiales y estructuras.
Como demostración, los investigadores imprimieron una malla plana que, cuando se expone a una cierta diferencia de temperatura, se deforma en la forma de un rostro humano. También diseñaron una malla incrustada con metal líquido conductor, que se curva en una cúpula para formar unantena activa, cuya frecuencia de resonancia cambia a medida que se deforma.
El nuevo método de diseño del equipo se puede utilizar para determinar el patrón específico de las estructuras de malla planas para imprimir, dadas las propiedades del material, para que la estructura se transforme en la forma deseada.
Los investigadores dicen que en el futuro, su técnica se puede usar para diseñar estructuras desplegables, como carpas o cubiertas que se despliegan e inflan automáticamente en respuesta a cambios de temperatura u otras condiciones ambientales.
Tales estructuras complejas que cambian de forma también podrían usarse como stents o andamios para tejido artificial, o como lentes deformables en telescopios. Wim van Rees, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT, también ve aplicaciones en robótica blanda.
"Me gustaría ver esto incorporado, por ejemplo, en una medusa robótica que cambia de forma para nadar cuando la ponemos en el agua", dice van Rees. "Si pudiera usar esto como un actuador, como un músculo artificial, el actuador podría tener cualquier forma arbitraria que se transforme en otra forma arbitraria. Luego, está entrando en un espacio de diseño completamente nuevo en la robótica suave ".
Van Rees y sus colegas están publicando sus resultados esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias . Sus coautores son J. William Boley de la Universidad de Boston; Ryan Truby, Arda Kotikian, Jennifer Lewis y L. Mahadevan de la Universidad de Harvard; Charles Lissandrello del Draper Laboratory; y Mark Horenstein de la Universidad de Boston.
límite de papel de regalo
Hace dos años, a Van Rees se le ocurrió un diseño teórico sobre cómo transformar una lámina delgada y plana en una forma compleja, como un rostro humano. Hasta entonces, los investigadores en el campo de los materiales 4-D, materiales diseñados para deformarsecon el tiempo: había desarrollado formas para que ciertos materiales cambien o se transformen, pero solo en estructuras relativamente simples.
"Mi objetivo era comenzar con una forma tridimensional compleja que queremos lograr, como un rostro humano, y luego preguntar, '¿Cómo programamos un material para que llegue allí?'", Dice van Rees. "Eso esun problema de diseño inverso "
Se le ocurrió una fórmula para calcular la expansión y contracción que las regiones de una hoja de material de doble capa tendrían que lograr para alcanzar la forma deseada, y desarrolló un código para simular esto en un material teórico. Luego puso la fórmulapara trabajar y visualizar cómo el método podría transformar un disco plano y continuo en un rostro humano complejo.
Pero él y sus colaboradores descubrieron rápidamente que el método no se aplicaría a la mayoría de los materiales físicos, al menos si intentaran trabajar con hojas continuas. Mientras que Van Rees usaba una hoja continua para sus simulaciones, era de un material idealizado, sin restricciones físicas sobre la cantidad de expansión y contracción que podría lograr. La mayoría de los materiales, en cambio, tienen capacidades de crecimiento muy limitadas. Esta limitación tiene profundas consecuencias en una propiedad conocida como doble curvatura, lo que significa una superficie que puede curvarse simultáneamente en dosdirecciones perpendiculares: un efecto que Carl Friedrich Gauss describió en un teorema de hace casi 200 años llamado Theorema Egregium, que en latín significa "Teorema notable".
Si alguna vez ha tratado de envolver un balón de fútbol, ha experimentado este concepto en la práctica: para transformar el papel, que no tiene curvatura en absoluto, a la forma de una pelota, que tiene doble curvatura positiva, tienepara arrugar y arrugar el papel a los lados y la parte inferior para envolver completamente la bola. En otras palabras, para que la hoja de papel se adapte a una forma con doble curvatura, tendría que estirarse o contraerse, o ambos, en los lugares necesarios paraenvuelva una pelota de manera uniforme.
Para impartir una doble curvatura a una lámina que cambia de forma, los investigadores cambiaron la base de la estructura de una lámina continua a una retícula o malla. La idea era doble: primero, se produciría una flexión inducida por la temperatura de las costillas de la retículaen expansiones y contracciones mucho más grandes de los nodos de malla, de lo que se podría lograr en una hoja continua. Segundo, los huecos en la red pueden acomodar fácilmente grandes cambios en el área de la superficie cuando las costillas están diseñadas para crecer a diferentes velocidades a través de la hoja.
Los investigadores también diseñaron cada costilla individual de la red para doblarse en un grado predeterminado con el fin de crear la forma de, por ejemplo, una nariz en lugar de una cuenca del ojo.
Para cada costilla, incorporaron cuatro costillas más delgadas, organizando dos para alinearse encima de las otras dos. Las cuatro miniribras se hicieron de variaciones cuidadosamente seleccionadas del mismo material base, para calibrar las diferentes respuestas requeridas a la temperatura.
Cuando las cuatro miniribs se unieron en el proceso de impresión para formar una costilla más grande, la costilla en su conjunto podría curvarse debido a la diferencia en la respuesta de temperatura entre los materiales de las costillas más pequeñas: si un material es más sensible a la temperatura,puede preferir alargarse, pero debido a que está unido a una costilla menos receptiva, que resiste el alargamiento, toda la costilla se curvará.
Los investigadores pueden jugar con la disposición de las cuatro costillas para "preprogramar" si la costilla en su conjunto se curva hacia arriba para formar parte de una nariz, o se sumerge hacia abajo como parte de la cuenca del ojo.
Formas desbloqueadas
Para fabricar una red que cambia a la forma de una cara humana, los investigadores comenzaron con una imagen tridimensional de una cara, para ser específicos, la cara de Gauss, cuyos principios de geometría subyacen en gran parte del enfoque del equipo.A partir de esta imagen, crearon un mapa de las distancias que una superficie plana requeriría para elevarse o descender para adaptarse a la forma de la cara. Van Rees ideó un algoritmo para traducir estas distancias en una red con un patrón específico de costillasy proporciones de miniribs dentro de cada costilla.
El equipo imprimió la red de PDMS, un material gomoso común que se expande naturalmente cuando se expone a un aumento de temperatura. Ajustaron la capacidad de respuesta a la temperatura del material al infundir una solución con fibras de vidrio, haciéndolo físicamente más rígido y más resistente a uncambio de temperatura Después de imprimir patrones de celosía del material, curaron la celosía en un horno de 250 grados Celsius, luego la sacaron y la colocaron en un baño de agua salada, donde se enfrió a temperatura ambiente y se transformó en forma decara humana.
El equipo también imprimió un disco enrejado hecho de costillas incrustadas con una tinta de metal líquido, una especie de antena, que cambió su frecuencia de resonancia cuando la red se transformó en una cúpula.
Van Rees y sus colegas están investigando formas de aplicar el diseño de cambios de forma complejos a materiales más rígidos, para aplicaciones más resistentes, como carpas sensibles a la temperatura y aletas y alas autopropulsadas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :