p A natureza tem uma maneira de criar formas complexas a partir de um conjunto de regras de crescimento simples. A curva de uma pétala, o golpe de um galho, até mesmo os contornos de nosso rosto são moldados por esses processos. E se pudéssemos desbloquear essas regras e fazer a engenharia reversa da capacidade da natureza de desenvolver uma gama infinitamente diversa de formas? p Cientistas da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson fizeram exatamente isso. Em um artigo publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências , uma equipe de pesquisadores do SEAS e do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering demonstra uma técnica para fazer crescer qualquer formato alvo a partir de qualquer formato inicial.

p "O arquiteto Louis Sullivan disse uma vez que 'a forma sempre segue a função', "disse L. Mahadevan, a professora de matemática aplicada Lola England de Valpine, de Biologia Organísmica e Evolutiva e de Física e autor sênior do estudo. "Mas se formos da perspectiva oposta, que talvez a função deva seguir a forma, como podemos inverter a forma de design? "

p Em pesquisas anteriores, o grupo Mahadevan usou experimentos e teoria para explicar como estruturas que se transformam naturalmente - como as armadilhas de Vênus, pinhas e flores - mudaram de forma na esperança de um dia serem capazes de controlar e imitar esses processos naturais. E realmente, experimentalistas começaram a aproveitar o poder do simples, padrões de crescimento bioinspirados. Por exemplo, em 2016, em colaboração com o grupo de Jennifer Lewis, o professor Hansjorg Wyss de Engenharia com inspiração biológica no SEAS e membro do corpo docente do Wyss Institute, a equipe imprimiu uma série de estruturas que mudaram de forma ao longo do tempo em resposta a estímulos ambientais.

p “O desafio era como resolver o problema inverso, "disse Wim van Rees, um pós-doutorado na SEAS e primeiro autor do artigo. "Há muita pesquisa no lado experimental, mas não há o suficiente no lado teórico para explicar o que realmente está acontecendo. A questão é:se eu quiser terminar com uma forma específica, como faço para projetar minha estrutura inicial? "

p Inspirado pelo crescimento das folhas, os pesquisadores desenvolveram uma teoria sobre como padronizar as orientações de crescimento e magnitudes de uma bicamada, duas camadas diferentes de materiais elásticos colados que respondem de maneiras diferentes aos mesmos estímulos. Ao programar uma camada para inchar mais e / ou em uma direção diferente da outra, a forma geral e a curvatura da bicamada podem ser totalmente controladas. Em princípio, a bicamada pode ser feita de qualquer material, em qualquer forma, e responder a qualquer estímulo do calor à luz, inchaço, ou mesmo crescimento biológico.

p A equipe desvendou a conexão matemática entre o comportamento da bicamada e o de uma única camada.

p “Encontramos uma relação muito elegante em um material que consiste nessas duas camadas, "disse van Rees." Você pode pegar o crescimento de uma camada dupla e escrever sua energia diretamente em termos de uma monocamada curva. "

p Isso significa que, se você souber as curvaturas de qualquer forma, poderá fazer a engenharia reversa dos padrões de energia e crescimento necessários para fazer essa forma crescer usando uma camada dupla.

p "Esse tipo de problema de engenharia reversa é notoriamente difícil de resolver, mesmo usando dias de computação em um supercomputador, "disse Etienne Vouga, ex-bolsista de pós-doutorado no grupo, agora é professor assistente de ciência da computação na Universidade do Texas em Austin. "Ao elucidar como a física e a geometria das bicamadas estão intimamente ligadas, fomos capazes de construir um algoritmo que resolve o padrão de crescimento necessário em segundos, mesmo em um laptop, não importa o quão complicado seja o formato do alvo. "

p Os pesquisadores demonstraram o sistema modelando o crescimento de uma pétala de flor snapdragon a partir de um cilindro, um mapa topográfico da bacia do rio Colorado em uma folha plana e, mais impressionante, o rosto de Max Planck, um dos fundadores da física quântica, de um disco.

p "Geral, nossa pesquisa combina nosso conhecimento da geometria e física de cascas delgadas com novos algoritmos matemáticos e cálculos para criar regras de projeto para formas de engenharia, "disse Mahadevan." Isso abre caminho para avanços de fabricação na impressão 4-D de elementos ópticos e mecânicos que mudam de forma, robótica suave, bem como engenharia de tecidos. "