Materiales que cambian de forma con infinitas posibilidades

Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han desarrollado un material que cambia de forma que puede tomar y mantener cualquier forma posible, allanando el camino para un nuevo tipo de material multifuncional que podría usarse en una gama de aplicaciones, desde robótica y biotecnología hasta arquitectura.

La investigación se publica en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

“Los materiales y estructuras que cambian de forma de hoy en día solo pueden hacer la transición entre unas pocas configuraciones estables, pero hemos mostrado cómo crear materiales estructurales que tienen un rango arbitrario de capacidades de cambio de forma”, dijo L Mahadevan, profesor de Matemática Aplicada de Lola England de Valpine. , de Biología Organísmica y Evolutiva, y de Física y autor principal del artículo. “Estas estructuras permiten el control independiente de la geometría y la mecánica, sentando las bases para diseñar formas funcionales utilizando un nuevo tipo de celda unitaria transformable”.

Uno de los mayores desafíos en el diseño de materiales que cambian de forma es equilibrar las necesidades aparentemente contradictorias de conformabilidad y rigidez. La adaptabilidad permite la transformación a nuevas formas, pero si es demasiado conforme, no puede mantener las formas de forma estable. La rigidez ayuda a bloquear el material en su lugar, pero si es demasiado rígido, no puede adoptar nuevas formas.

El equipo comenzó con una celda unitaria neutralmente estable con dos elementos rígidos, un puntal y una palanca, y dos resortes elásticos estirables. Si alguna vez has visto el comienzo de una película de Pixar, has visto un material neutralmente estable. El cabezal de la lámpara Pixar es estable en cualquier posición porque la fuerza de la gravedad siempre es contrarrestada por resortes que se estiran y comprimen de manera coordinada, independientemente de la configuración de la lámpara. En general, los sistemas neutralmente estables, una combinación de elementos rígidos y elásticos equilibra la energía de las células, haciendo que cada una de ellas sea neutralmente estable, lo que significa que pueden transitar entre un número infinito de posiciones u orientaciones y ser estables en cualquiera de ellas.

“Al tener una celda unitaria neutralmente estable, podemos separar la geometría del material de su respuesta mecánica tanto a nivel individual como colectivo”, dijo Gaurav Chaudhary, becario postdoctoral en SEAS y co-primer autor del artículo. “La geometría de la celda unitaria se puede variar cambiando tanto su tamaño general como la longitud del único puntal móvil, mientras que su respuesta elástica se puede cambiar variando la rigidez de los resortes dentro de la estructura o la longitud del puntales y enlaces “.

Los investigadores llamaron al conjunto como “materiales totimórficos” debido a su capacidad para transformarse en cualquier forma estable. Los investigadores conectaron células unitarias individuales con articulaciones naturalmente estables, construyendo estructuras 2-D y 3-D a partir de células totimórficas individuales.

Los investigadores utilizaron modelos matemáticos y demostraciones del mundo real para mostrar la capacidad de cambio de forma del material. El equipo demostró que una sola hoja de células totimórficas puede curvarse, girar en una hélice, transformarse en la forma de dos caras distintas e incluso soportar peso.

“Demostramos que podemos ensamblar estos elementos en estructuras que pueden tomar cualquier forma con respuestas mecánicas heterogéneas”, dijo S. Ganga Prasath, becario postdoctoral en SEAS y co-primer autor del artículo. “Dado que estos materiales se basan en la geometría, podrían reducirse para usarse como sensores en robótica o biotecnología o podrían ampliarse para usarse a escala arquitectónica.

“Todos juntos, estos totimorfos allanan el camino para una nueva clase de materiales cuya respuesta a la deformación se puede controlar a múltiples escalas”, dijo Mahadevan.

Edward Soucy es coautor de la investigación.