p A pergunta contra-intuitiva sobre como envolver uma superfície esférica curva usando materiais convencionalmente rígidos e não esticáveis ​​ou quebradiços, constitui a base deste estudo. Para responder a pergunta, Yu-Ki Lee e uma equipe de pesquisa nos departamentos de engenharia de materiais e ciência da computação na República da Coréia e nos EUA estenderam um método de design geométrico de origami computacional para envolver construções esféricas em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência . A abordagem forneceu um método robusto e confiável para projetar dispositivos conformes para superfícies curvas arbitrárias usando uma rede desenvolvível não poliédrica projetada computacionalmente. O projeto auxiliado por computador transformou materiais bidimensionais (2-D), como wafers de silício (Si) e chapas de aço em estruturas conformadas que poderiam envolver totalmente estruturas 3-D sem fratura ou deformação. O método de empacotamento computacional permitiu que eles desenvolvessem uma plataforma de projeto para transformar dispositivos 2-D convencionalmente não esticáveis ​​em superfícies curvas 3-D conformadas. p O estudo introduziu um método universal para materiais não extensíveis convencionais para envolver superfícies curvas 3-D arbitrárias e diversas por dispositivos de material conformado de engenharia sem sacrificar seu desempenho. Por exemplo, embrulhar uma esfera com um pedaço de papel retangular pode inevitavelmente formar rugas, ao tentar embrulhar uma esfera com um substrato mais resistente pode causar a fratura do material de embrulho. Para facilitar o processo, cientistas de materiais podem introduzir cortes padronizados em materiais não extensíveis, incluindo padrões de corte de rede e padrões de corte fractal para envolver efetivamente superfícies 3-D. Esses conceitos são programáveis ​​por forma e podem cobrir uma esfera com eficiência. Os engenheiros também recomendaram algoritmos de computador para projetar modelos 3-D complexos baseados em estruturas auxéticas 2-D. Para obter uma cobertura ideal, eles introduziram uma estratégia de design computacional conhecida como "empacotamento computacional com redes desenvolvíveis não poliédricas, "para formar plataformas de material não extensível para vestíveis e dispositivos conformados.

p Em teoria, os pesquisadores podem caracterizar uma superfície curva pela curvatura gaussiana - que é o produto vetorial das curvaturas principais máxima e mínima em um ponto. Por exemplo, uma folha de papel é chamada de 'superfície revelável' e representa um material 2-D com curvatura gaussiana zero em todos os pontos. Uma superfície revelável não pode ser transformada em uma superfície 3-D não revelável sem rasgar, esticar ou comprimir o material. O conceito é matematicamente comprovado pelo "Gauss Theorema Egregium, "que afirma que" Para mover uma superfície para outra superfície, a curvatura gaussiana de todos os pontos correspondentes deve coincidir. "Os cientistas da computação têm feito grandes esforços para determinar algoritmicamente os cortes de superfície que segmentam uma superfície não desenvolvível em manchas de superfície desenvolvíveis conhecidas como redes poliédricas ou simplesmente - Métodos computacionais recentes têm como objetivo otimizar a qualidade e dobrabilidade da rede usando métodos de aprendizado de máquina, a fim de reduzir o tempo e o esforço necessários para as abordagens tradicionais de tentativa e erro.

p Como a maioria dos objetos 3D do mundo real são suaves e curvos, os cientistas exigem malhas de alta resolução para cobrir as superfícies com precisão. Nesse trabalho, Lee et al. desenvolveu uma nova abordagem conhecida como "empacotamento computacional" que vai além do método convencional de dobramento computacional. Para conseguir isso, eles consideraram o design de dispositivo conforme como um problema de embrulho de papel em vez de um desafio de dobradura de papel (origami). A equipe reconheceu as funções de anexar e envolver dispositivos conformados para cobrir uma superfície 3-D curva subjacente, simplesmente dobrando e pressionando uma rede poliédrica sem vincos.

p Malhas de alta resolução permitiram que eles atendessem aos limites de longos tempos de fabricação e confiabilidade mecânica. Para encerrar uma superfície com curvatura gaussiana não nula geral, como uma esfera perfeita, Lee et al. usou uma superfície revelável após refinar a malha da faceta para atender aos valores exigidos de estanqueidade do envoltório. Os resultados forneceram dados sobre uma rede desenvolvível não poliédrica para criar espaços controlados e limitados entre a rede e a esfera sem lacunas ou sobreposições entre as facetas. O processo de fabricação produziu com precisão superfícies 3-D suaves e altamente complexas, muitas vezes mais rápido do que os métodos convencionais de dobra computacional ao lidar com formas complexas usando papel, materiais de embalagem metálicos e cerâmicos. A análise de elementos finitos confirmou que tais invólucros computacionais eram mecanicamente confiáveis.

p As estruturas desenvolvidas no trabalho levaram a um aumento significativo no origami computacional para processos de fabricação industrial do mundo real. Por exemplo, Lee et al. desenvolveu um dispositivo conformal usando painéis de lâmpada eletroluminescente (EL) para envolver uma esfera, o dispositivo conformado 3-D resultante exibiu boa função e eles creditaram os resultados aos processos de dobra e prensagem usados ​​para embrulhar a esfera, em vez das técnicas de vincar e dobrar. A equipe também demonstrou seu método em uma máscara comercial coreana e em um veículo elétrico de brinquedo com painéis EL conectados para funcionar sem falhas. Para gerar a rede desenvolvível para componentes com superfícies gaussianas diferentes de zero, como os faróis do veículo elétrico de brinquedo, os cientistas usaram o método de desdobramento do algoritmo genético (GA).

p Desta maneira, Yu-Ki Lee e seus colegas introduziram o conceito de empacotamento computacional para converter dispositivos flexíveis 2-D não extensíveis em dispositivos conformados 3-D. Usando o método, eles encerraram uma superfície com curvatura gaussiana diferente de zero, como uma esfera perfeita. A técnica proposta poderia controlar a distância entre as duas superfícies para garantir um envolvimento firme. O trabalho produziu uma única superfície conectada conhecida como rede desenvolvível não poliédrica, projetado para embrulhar conformally uma folha 2-D para qualquer superfície 3-D. Como resultado, os cientistas conseguiram até mesmo facilitar que materiais rígidos e frágeis, como folhas de metal e wafers de Si, cobrissem totalmente e envolvessem superfícies com curvatura gaussiana diferente de zero. O método de empacotamento computacional universal desenvolvido neste trabalho fornecerá novos insights sobre o desenvolvimento de dispositivos conformes com formas arbitrárias usando algoritmos eficientes e robustos, métodos de fabricação confiáveis. p © 2020 Science X Network