Esta estructura plana se transforma en un rostro humano cuando cambia la temperatura.


Investigadores del MIT y otros países han desarrollado estructuras impresas tridimensionales que se asemejan a mallas que se transforman de formas planas a formas predeterminadas en respuesta a los cambios en la temperatura ambiente. Las nuevas estructuras se pueden transformar en configuraciones más complejas que otros materiales y las estructuras que cambian de forma pueden lograr.

Como demostración, los investigadores imprimieron una malla plana que, cuando se expone a una cierta diferencia de temperatura, se deforma en un rostro humano. También diseñaron una malla de metal líquido conductor que se curvaba en un domo para formar una antena 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 que se imprimirán, dependiendo de las propiedades del material, para transformar la estructura en la forma deseada.

Los investigadores dicen que su técnica podría eventualmente usarse para diseñar estructuras desplegables, como carpas o lonas que se despliegan e inflan automáticamente a medida que ocurren cambios de temperatura u otras condiciones ambientales.

Tales estructuras complejas de cambio de forma también podrían ser útiles como stents o andamios para tejidos artificiales, o como lentes deformables en telescopios. Wim van Rees, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT, también está considerando aplicaciones en robótica suave.

"Me gustaría que esto se integrara, por ejemplo, en una medusa robótica que cambia de forma para nadar cuando la ponemos en el agua", dice van Rees. "Si pudieras usar esto como un actuador, como un músculo artificial, el actuador podría ser cualquier forma arbitraria que se convertiría en otra forma arbitraria". Luego ingresa a un nuevo espacio de diseño para la robótica suave. "

Van Rees y sus colegas publican 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 de Draper Lab; y Mark Horenstein de la Universidad de Boston.

Límite de empaque de regalo

Hace dos años, van Rees desarrolló un concepto teórico para 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 deformarse con el tiempo, habían desarrollado métodos que permitían que ciertos materiales cambiaran o se transformaran, 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 llegar a la atmósfera? "Explica van Rees. "Es un problema de diseño inverso".

Él ideó una fórmula para calcular la expansión y la contracción que las regiones de una hoja de material de doble capa deberían alcanzar para lograr la forma deseada, y desarrolló un código para simular esto en un material teórico. Luego puso a trabajar la fórmula y visualizó cómo el método podría convertir un disco plano y continuo en un rostro humano complejo.

Pero él y sus asociados se dieron cuenta rápidamente de que el método no se aplicaría a la mayoría de los materiales físicos, al menos si intentaban trabajar con hojas continuas. Aunque van Rees utilizó una hoja continua para sus simulaciones, era un material ideal, sin restricciones físicas sobre cuánta expansión y contracción podría obtener. La mayoría de los materiales, por otro lado, tienen capacidades de crecimiento muy limitadas. Esta limitación tiene profundas consecuencias en una propiedad llamada curvatura doble, es decir, una superficie que puede doblarse simultáneamente en dos direcciones perpendiculares, un efecto descrito en un teorema gaussiano de Carl Friedrich de 200 años llamado Teorema Egregium. , Latín para "Teorema notable".

Si alguna vez ha tratado de empacar una pelota de fútbol en una caja de regalo, ha experimentado este concepto en la práctica: para transformar el papel, que no tiene curvatura, en una forma de globo, que tiene una curvatura positiva doble, debes y arrugar el papel a los lados y hacia abajo para envolver completamente la pelota. En otras palabras, para que la hoja de papel se adapte a una forma de doble curvatura, debe estirarse o contraerse, o ambos, en los lugares necesarios para envolver una paca de manera uniforme.

Para impartir una doble curvatura a una hoja de cambio de forma, los investigadores inclinaron la base de la estructura de una hoja continua a una malla. La idea era doble: en primer lugar, una flexión de las costillas de la red inducida por la temperatura daría lugar a una expansión y contracción mucho mayor de los nodos de malla que la que se podría obtener con una lámina continua. En segundo lugar, los vacíos en la red pueden acomodar fácilmente grandes cambios de superficie cuando las costillas están diseñadas para crecer a diferentes velocidades en la hoja.

Los investigadores también diseñaron cada costilla de la red para que se doble en un grado predeterminado para crear la forma de una nariz en lugar de una órbita.

Para cada costilla, incorporaron cuatro costillas más delgadas, organizando dos para alinearlas con las otras dos. Los cuatro miniribs fueron hechos de variantes cuidadosamente seleccionadas del mismo material base, para calibrar las diferentes respuestas de temperatura requeridas.

Cuando los cuatro miniribs se ensamblaron durante el proceso de impresión para formar una costilla más grande, esta en su conjunto podría doblarse debido a la diferencia en la respuesta de temperatura entre los materiales de las costillas más pequeñas: si un material Reacciona mejor a la temperatura, prefiere alargarse. Pero como está vinculado a una costa menos sensible, que resiste el estiramiento, la costa entera se doblará.

Los investigadores pueden jugar con el diseño de las cuatro costillas para "preprogramar" ya sea toda la costa, que se inclina para formar parte de la nariz o para sumergirse en los ojos.

Formas desbloqueadas

Para construir una red que tome 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 geométricos sustentaron en gran medida el enfoque. del equipo. A partir de esta imagen, crearon un mapa de distancias que una superficie plana necesitaría subir o bajar para adaptarse a la forma de la cara. Van Rees desarrolló un algoritmo para traducir estas distancias en una red con un patrón específico de costillas y relaciones de miniribe en cada costilla.

El equipo ha impreso la red desde PDMS, un material gomoso común que se expande naturalmente cuando se expone a un aumento de temperatura. Ajustaron la sensibilidad a la temperatura del material al infundir una solución con fibras de vidrio, haciéndolo más rígido físicamente y más resistente a los cambios de temperatura. Después de imprimir los patrones de celosía del material, curaron la rejilla en un horno a 250 grados centígrados, luego la sacó y la colocó en un baño de agua de mar, donde se enfrió hasta la temperatura ambiente y se convirtió en un rostro humano.

Cortesía de los investigadores.

El equipo también imprimió un disco de celosía hecho de costillas incrustadas en una tinta de metal líquido, una especie de antena, que cambió su frecuencia de resonancia cuando la celosía se convirtió en una cúpula.

Van Rees y sus colegas están estudiando formas de aplicar el diseño de materiales complejos de cambio de forma a materiales más rígidos para aplicaciones más robustas, como carpas sensibles a la temperatura y alas y alas autopropulsadas.

Esta investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation y el Draper Laboratory.

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