p Pesquisadores do Centro de Bits e Átomos do MIT criaram blocos de construção minúsculos que exibem uma variedade de propriedades mecânicas exclusivas, como a capacidade de produzir um movimento de torção quando pressionado. Essas subunidades podem ser potencialmente montadas por pequenos robôs em uma variedade quase ilimitada de objetos com funcionalidade integrada, incluindo veículos, grandes peças industriais, ou robôs especializados que podem ser remontados repetidamente em diferentes formas. p Os pesquisadores criaram quatro tipos diferentes dessas subunidades, chamados voxels (uma variação 3-D dos pixels de uma imagem 2-D). Cada tipo de voxel exibe propriedades especiais não encontradas em materiais naturais típicos, e em combinação eles podem ser usados ​​para fazer dispositivos que respondem a estímulos ambientais de maneiras previsíveis. Os exemplos podem incluir asas de avião ou pás de turbina que respondem a mudanças na pressão do ar ou na velocidade do vento mudando sua forma geral.

p As evidências, que detalham a criação de uma família de "metamateriais mecânicos discretos, "são descritos em artigo publicado hoje na revista Avanços da Ciência , de autoria do recente doutorando do MIT Benjamin Jenett Ph.D. '20, Professor Neil Gershenfeld, e quatro outros.

p Os metamateriais recebem esse nome porque suas propriedades em grande escala são diferentes das propriedades de micronível de seus materiais componentes. Eles são usados ​​em eletromagnéticos e como materiais "arquitetados", que são projetados ao nível de sua microestrutura. "Mas não foi feito muito na criação de propriedades mecânicas macroscópicas como um metamaterial, "Gershenfeld diz.

p Com esta abordagem, os engenheiros devem ser capazes de construir estruturas que incorporem uma ampla gama de propriedades de materiais - e produzi-los todos usando os mesmos processos de produção e montagem compartilhados, Gershenfeld diz.

p Os voxels são montados a partir de peças planas de polímeros moldados por injeção, em seguida, combinados em formas tridimensionais que podem ser unidas em estruturas funcionais maiores. Eles são em sua maioria espaços abertos e, portanto, fornecem uma estrutura extremamente leve, mas rígida quando montados. Além da unidade rígida básica, que fornece uma combinação excepcional de força e peso leve, existem três outras variações desses voxels, cada um com uma propriedade incomum diferente.

p Os voxels "auxéticos" possuem uma propriedade estranha em que um cubo do material, quando comprimido, em vez de protuberâncias nas laterais, na verdade, protuberâncias para dentro. Esta é a primeira demonstração de tal material produzido por meio de métodos de fabricação convencionais e baratos.

p Também existem voxels "compatíveis", com um coeficiente de Poisson zero, que é um pouco semelhante à propriedade auxética, mas neste caso, quando o material é comprimido, os lados não mudam de forma. Poucos materiais conhecidos exibem esta propriedade, que agora pode ser produzida por meio dessa nova abordagem.

p Finalmente, Os voxels "quirais" respondem à compressão axial ou alongamento com um movimento de torção. Novamente, esta é uma propriedade incomum; a pesquisa que produziu um desses materiais por meio de técnicas de fabricação complexas foi saudada no ano passado como uma descoberta significativa. Este trabalho torna esta propriedade facilmente acessível em escalas macroscópicas.

p "Cada tipo de propriedade de material que mostramos anteriormente era seu próprio campo, "Gershenfeld diz." As pessoas escreveriam artigos apenas sobre essa propriedade. Esta é a primeira coisa que mostra todos eles em um único sistema. "

p Para demonstrar o potencial do mundo real de grandes objetos construídos de maneira semelhante a LEGO a partir desses voxels produzidos em massa, O time, trabalhando em colaboração com engenheiros da Toyota, produziu um carro de corrida funcional com super quilometragem, que eles demonstraram nas ruas durante uma conferência internacional de robótica no início deste ano.

p Eles foram capazes de montar o peso leve, estrutura de alto desempenho em apenas um mês, Jenett diz, enquanto a construção de uma estrutura comparável usando métodos convencionais de construção de fibra de vidro levava um ano.

p Durante a demonstração, as ruas estavam escorregadias por causa da chuva, e o carro de corrida acabou colidindo com uma barreira. Para surpresa de todos os envolvidos, a estrutura interna em forma de treliça do carro deformou-se e depois saltou para trás, absorvendo o choque com poucos danos. Um carro de construção convencional, Jenett diz, provavelmente teria sido severamente amassado se fosse feito de metal, ou quebrado se fosse composto.

p O carro forneceu uma demonstração vívida do fato de que essas peças minúsculas podem de fato ser usadas para fazer dispositivos funcionais em escala de tamanho humano. E, Gershenfeld aponta, na estrutura do carro, "essas não são partes conectadas a outra coisa. A coisa toda é feita de nada além dessas partes, "exceto para os motores e fonte de alimentação.

p Como os voxels são uniformes em tamanho e composição, eles podem ser combinados de qualquer maneira necessária para fornecer funções diferentes para o dispositivo resultante. "Podemos abranger uma ampla gama de propriedades de materiais que antes eram consideradas muito especializadas, "Gershenfeld diz." O ponto é que você não tem que escolher uma propriedade. Você pode fazer, por exemplo, robôs que se dobram em uma direção e são rígidos em outra direção e se movem apenas de determinadas maneiras. E entao, a grande mudança em relação ao nosso trabalho anterior é a capacidade de abranger várias propriedades mecânicas de materiais, que até agora foram considerados isoladamente. "

p Jenett, que realizou grande parte desse trabalho como base para sua tese de doutorado, diz que "essas peças são de baixo custo, facilmente produzido, e muito rápido de montar, e você obtém essa gama de propriedades em um único sistema. Eles são todos compatíveis uns com os outros, então existem todos esses tipos diferentes de propriedades exóticas, mas todos eles funcionam bem uns com os outros no mesmo escalonável, sistema barato. "

p "Pense em todas as partes rígidas e móveis em carros e robôs e barcos e aviões, "Gershenfeld diz." E podemos abranger tudo isso com este único sistema. "

p Um fator chave é que uma estrutura composta por um tipo desses voxels se comportará exatamente da mesma maneira que a própria subunidade, Jenett diz. "Fomos capazes de demonstrar que as juntas desaparecem efetivamente quando você monta as peças. Isso se comporta como um continuum, material monolítico. "

p Considerando que a pesquisa robótica tende a ser dividida entre robôs duros e macios, "isso não é muito, "Gershenfeld diz, because of its potential to mix and match these properties within a single device.

p One of the possible early application of this technology, Jenett says, could be for building the blades of wind turbines. As these structures become ever larger, transporting the blades to their operating site becomes a serious logistical issue, whereas if they are assembled from thousands of tiny subunits, that job can be done at the site, eliminating the transportation issue. De forma similar, the disposal of used turbine blades is already becoming a serious problem because of their large size and lack of recyclability. But blades made up of tiny voxels could be disassembled on site, and the voxels then reused to make something else.

p And in addition, the blades themselves could be more efficient, because they could have a mix of mechanical properties designed into the structure that would allow them to respond dynamically, passively, to changes in wind strength, ele diz.

p Overall, Jenett says, "Now we have this low-cost, scalable system, so we can design whatever we want to. We can do quadrupeds, we can do swimming robots, we can do flying robots. That flexibility is one of the key benefits of the system."