Pesquisadores do MIT e de outros lugares projetaram estruturas semelhantes a malhas impressas em 3-D que se transformam de camadas planas em formas predeterminadas, em resposta a mudanças na temperatura ambiente. As novas estruturas podem se transformar em configurações mais complexas do que outras estruturas e materiais que mudam de forma podem alcançar.

Como demonstração, os pesquisadores imprimiram uma malha plana que, quando exposto a uma certa diferença de temperatura, deforma-se na forma de um rosto humano. Eles também projetaram uma malha embutida com metal líquido condutor, que se curva em uma cúpula para formar uma antena ativa, a frequência de ressonância da qual muda à medida que se deforma.

O novo método de design da equipe pode ser usado para determinar o padrão específico de estruturas de malha plana para imprimir, dadas as propriedades do material, a fim de fazer a estrutura se transformar em uma forma desejada.

Os pesquisadores dizem que no futuro, sua técnica pode ser usada para projetar estruturas implantáveis, como tendas ou coberturas que se abrem e inflam automaticamente em resposta a mudanças de temperatura ou outras condições ambientais.

Tão complexo, estruturas que mudam de forma também podem ser úteis como stents ou andaimes para tecidos artificiais, ou como lentes deformáveis ​​em telescópios. Wim van Rees, professor assistente de engenharia mecânica no MIT, também vê aplicações em robótica leve.

"Eu gostaria de ver isso incorporado em, por exemplo, uma água-viva robótica que muda de forma para nadar quando a colocamos na água, "diz van Rees." Se você pudesse usar isso como um atuador, como um músculo artificial, o atuador pode ter qualquer forma arbitrária que se transforme em outra forma arbitrária. Então você está entrando em um espaço de design totalmente novo em robótica suave. "

Van Rees e seus colegas estão publicando seus resultados esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences . Seus co-autores são J. William Boley, da Boston University; Ryan Truby, Arda Kotikian, Jennifer Lewis, e L. Mahadevan da Universidade de Harvard; Charles Lissandrello do Laboratório Draper; e Mark Horenstein, da Boston University.

Limite do embrulho de presente

Dois anos atrás, van Rees propôs um projeto teórico de como transformar uma folha fina e plana em uma forma complexa, como um rosto humano. Até então, pesquisadores na área de materiais 4-D - materiais projetados para deformar ao longo do tempo - desenvolveram maneiras de certos materiais mudarem, ou metamorfose, mas apenas em estruturas relativamente simples.

"Meu objetivo era começar com uma forma 3D complexa que queremos alcançar, como um rosto humano, e então pergunte, 'Como programamos um material para que ele chegue lá?' ", Diz van Rees." Esse é um problema de design inverso. "

Ele veio com uma fórmula para calcular a expansão e contração que as regiões de uma folha de material de bicamada teriam que atingir a fim de alcançar a forma desejada, e desenvolveu um código para simular isso em um material teórico. Ele então colocou a fórmula para funcionar, e visualizou como o método poderia transformar um apartamento, disco contínuo em um rosto humano complexo.

Mas ele e seus colaboradores descobriram rapidamente que o método não se aplicava à maioria dos materiais físicos, pelo menos se estivessem tentando trabalhar com folhas contínuas. Enquanto van Rees usava uma folha contínua para suas simulações, era de um material idealizado, sem restrições físicas na quantidade de expansão e contração que poderia atingir. A maioria dos materiais, em contraste, têm capacidades de crescimento muito limitadas. Essa limitação tem consequências profundas em uma propriedade conhecida como curvatura dupla, significando uma superfície que pode se curvar simultaneamente em duas direções perpendiculares - um efeito que é descrito em um teorema de quase 200 anos de Carl Friedrich Gauss chamado de Teorema Egregium, Latim para "Teorema notável".

Se você já tentou embrulhar uma bola de futebol para presente, você experimentou este conceito na prática:para transformar o papel, que não tem curvatura nenhuma, para a forma de uma bola, que tem curvatura dupla positiva, você tem que vincar e amassar o papel nas laterais e na parte inferior para embrulhar completamente a bola. Em outras palavras, para que a folha de papel se adapte a uma forma com dupla curvatura, teria que esticar ou contrair, ou ambos, nos lugares necessários para embrulhar uma bola uniformemente.

Para conferir curvatura dupla a uma folha que muda de forma, os pesquisadores mudaram a base da estrutura de uma folha contínua para uma treliça, ou malha. A ideia era dupla:primeiro, uma curvatura induzida pela temperatura das costelas da rede resultaria em expansões e contrações muito maiores dos nós da malha, do que poderia ser alcançado em uma folha contínua. Segundo, os vazios na rede podem facilmente acomodar grandes mudanças na área de superfície quando as nervuras são projetadas para crescer em taxas diferentes ao longo da folha.

Os pesquisadores também projetaram cada costela individual da rede para dobrar em um grau predeterminado, a fim de criar a forma de, dizer, um nariz em vez de uma órbita ocular.

Para cada costela, eles incorporaram quatro costelas mais finas, organizando dois para se alinharem em cima dos outros dois. Todos os quatro miniribs foram feitos de variações cuidadosamente selecionadas do mesmo material de base, para calibrar as diferentes respostas necessárias à temperatura.

Quando os quatro minirribs foram unidos no processo de impressão para formar uma nervura maior, a costela como um todo pode se curvar devido à diferença na resposta de temperatura entre os materiais das costelas menores:Se um material é mais responsivo à temperatura, pode preferir alongar. Mas porque está ligado a uma costela menos responsiva, que resiste ao alongamento, em vez disso, toda a costela se curvará.

Os pesquisadores podem brincar com o arranjo das quatro costelas para "pré-programar" se a costela como um todo se curva para formar parte de um nariz, ou diminui como parte de uma órbita ocular.

Formas desbloqueadas

Para fabricar uma rede que muda para a forma de um rosto humano, os pesquisadores começaram com uma imagem 3D de um rosto - para ser específico, o rosto de Gauss, cujos princípios de geometria fundamentam grande parte da abordagem da equipe. A partir desta imagem, eles criaram um mapa das distâncias que uma superfície plana exigiria para subir ou descer para se ajustar ao formato do rosto. Van Rees então desenvolveu um algoritmo para traduzir essas distâncias em uma rede com um padrão específico de costelas, e proporções de miniribs dentro de cada costela.

A equipe imprimiu a rede do PDMS, um material comum de borracha que se expande naturalmente quando exposto a um aumento de temperatura. Eles ajustaram a capacidade de resposta à temperatura do material, infundindo uma solução com fibras de vidro, tornando-o fisicamente mais rígido e mais resistente a mudanças de temperatura. Depois de imprimir os padrões de rede do material, eles curaram a estrutura em um forno de 250 graus Celsius, em seguida, retirou-o e colocou-o em um banho de água salgada, onde esfriou até a temperatura ambiente e se transformou na forma de um rosto humano.

A equipe também imprimiu um disco entrelaçado feito de nervuras embutidas com uma tinta de metal líquido - uma espécie de antena, que mudou sua frequência de ressonância à medida que a rede se transformava em uma cúpula.

Van Rees e seus colegas estão atualmente investigando maneiras de aplicar o design de mudança de forma complexa a materiais mais rígidos, para aplicações mais robustas, como tendas sensíveis à temperatura e aletas e asas autopropelidas.