Materiais que mudam de forma com possibilidades infinitas

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson desenvolveram um material que muda de forma que pode assumir e manter qualquer forma possível, abrindo caminho para um novo tipo de material multifuncional que pode ser usado em uma variedade de aplicações, da robótica e biotecnologia à arquitetura. Crédito: Harvard SEAS

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard desenvolveram um material que muda de forma que pode assumir e manter qualquer forma possível, abrindo caminho para um novo tipo de material multifuncional que pode ser usado em uma variedade de aplicações, da robótica e biotecnologia à arquitetura.

A pesquisa foi publicada nos Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Os materiais e estruturas de mudança de forma de hoje podem apenas fazer a transição entre algumas configurações estáveis, mas mostramos como criar materiais estruturais que têm uma gama arbitrária de capacidades de mudança de forma”, disse Lakshminarayanan Mahadevan, um cientista de origem indiana e atualmente é o Professor Lola England de Valpine de Matemática Aplicada, Biologia Organísmica e Evolutiva e Física da Harvard University. Seu trabalho gira em torno da compreensão da organização da matéria no espaço e no tempo.

“Essas estruturas permitem o controle independente da geometria e da mecânica, estabelecendo as bases para formas funcionais de engenharia usando um novo tipo de célula unitária morfável.”

Um dos maiores desafios no projeto de materiais que mudam de forma é equilibrar as necessidades aparentemente contraditórias de conformabilidade e rigidez. A conformabilidade permite a transformação para novas formas, mas se for muito conforme, não pode manter as formas de maneira estável. A rigidez ajuda a travar o material no lugar, mas se for muito rígido, não pode assumir novas formas.

A equipe começou com uma célula unitária neutra e estável com dois elementos rígidos, uma escora e uma alavanca, e duas molas elásticas extensíveis. Se você já viu o início de um filme da Pixar, viu um material neutro e estável. A cabeça da lâmpada Pixar é estável em qualquer posição porque a força da gravidade é sempre contrabalançada por molas que se esticam e comprimem de forma coordenada, independentemente da configuração da lâmpada. Em geral, sistemas neutros estáveis, uma combinação de elementos rígidos e elásticos equilibra a energia das células, tornando cada uma neutra estável, o que significa que podem transitar entre um número infinito de posições ou orientações e ficar estáveis ​​em qualquer uma delas.

“Por ter uma célula unitária neutra e estável, podemos separar a geometria do material de sua resposta mecânica tanto no nível individual quanto coletivo”, disse Gaurav Chaudhary, pós-doutorado no SEAS e co-autor do artigo. “A geometria da célula unitária pode ser variada mudando tanto seu tamanho geral quanto o comprimento da única haste móvel, enquanto sua resposta elástica pode ser alterada variando a rigidez das molas dentro da estrutura ou o comprimento do struts e links.”

Os pesquisadores apelidaram a montagem de “materiais totimórficos” devido à sua capacidade de se transformar em qualquer forma estável. Os pesquisadores conectaram células unitárias individuais com articulações naturalmente estáveis, construindo estruturas 2-D e 3-D a partir de células totimórficas individuais.

Os pesquisadores usaram modelos matemáticos e demonstrações do mundo real para mostrar a capacidade de mudança de forma do material. A equipe demonstrou que uma única folha de células totimórficas pode se curvar, se torcer em uma hélice, se transformar em duas faces distintas e até mesmo suportar peso.

“Nós mostramos que podemos montar esses elementos em estruturas que podem assumir qualquer forma com respostas mecânicas heterogêneas”, disse S. Ganga Prasath, pós-doutorado no SEAS e co-autor do artigo. “Como esses materiais são baseados em geometria, eles podem ser reduzidos para serem usados como sensores em robótica ou biotecnologia ou podem ser reduzidos para serem usados em escala arquitetônica.

“Juntos, esses totimorfos abrem caminho para uma nova classe de materiais cuja resposta de deformação pode ser controlada em várias escalas”, disse Mahadevan.

A pesquisa foi coautoria de Edward Soucy.

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