I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato materiali che possono essere utilizzati per creare strutture in grado di trasformarsi in molteplici architetture diverse. I ricercatori prevedono applicazioni che vanno dalla costruzione alla robotica.

"Il sistema che abbiamo sviluppato è stato ispirato dalla metamorfosi, "dice Jie Yin, autore corrispondente di un articolo sul lavoro e professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la NC State. "Con la metamorfosi in natura, gli animali cambiano la loro forma fondamentale. Abbiamo creato una classe di materiali che possono essere utilizzati per creare strutture che cambiano la loro architettura fondamentale".

Kirigami è un concetto fondamentale per il lavoro di Yin. Kirigami è una variante dell'origami che prevede il taglio e la piegatura della carta. Ma mentre il kirigami usa tradizionalmente materiali bidimensionali, Yin applica gli stessi principi ai materiali tridimensionali.

Il sistema di metamorfosi inizia con una singola unità di kirigami 3D. Ogni unità può formare più forme in sé. Ma queste unità sono anche modulari:possono essere collegate per formare strutture sempre più complesse. Poiché le singole unità stesse possono formare più forme, e può connettersi ad altre unità in più modi, il sistema complessivo è in grado di formare un'ampia varietà di architetture.

"Pensa a cosa puoi costruire con materiali convenzionali, " Dice Yin. "Ora immagina cosa puoi costruire quando ogni blocco di base è in grado di trasformarsi in più modi".

Il laboratorio di Yin ha precedentemente dimostrato un concetto simile, in cui le unità kirigami 3D sono state impilate l'una sull'altra. In quel sistema, le unità potrebbero essere utilizzate per assemblare una struttura, ma la struttura potrebbe anche essere smontata.

Il sistema di metamorfosi coinvolge effettivamente il collegamento delle unità kirigami. In altre parole, una volta che le unità sono collegate tra loro non possono essere disconnesse. Però, le strutture più grandi che creano sono in grado di trasformarsi in molteplici, architetture diverse.

"Ci sono due grandi differenze tra il nostro primo sistema kirigami e il sistema della metamorfosi, "Yin spiega.

"Il primo sistema kirigami prevedeva unità che potevano essere assemblate in architetture e poi smontate, che è un vantaggio. Però, quando le unità sono state assemblate, l'architettura non sarebbe capace di trasformarsi. Poiché i lati dell'unità non erano rigidi e fissati ad angoli di 90 gradi, la struttura assemblata poteva piegarsi e muoversi, ma non poteva cambiare radicalmente la sua geometria.

"Il sistema del kirigami della metamorfosi non permette di smontare una struttura, " dice Yin. "E poiché i lati di ogni unità cubica sono rigidi e fissati ad angoli di 90 gradi, la struttura assemblata non si piega o flette molto. Però, la struttura finita è in grado di trasformarsi in diverse architetture."

Nei test di prova del concetto, i ricercatori hanno dimostrato che il sistema di metamorfosi era in grado di creare molte strutture diverse in grado di sostenere un peso significativo pur mantenendo la loro integrità strutturale.

Che l'integrità strutturale è importante, perché Yin pensa che la costruzione sia una potenziale applicazione per il sistema di metamorfosi.

"Se aumenti questo approccio, potrebbe essere la base per una nuova generazione di materiali da costruzione che possono essere utilizzati per creare strutture rapidamente dispiegabili, " Dice Yin. "Pensa alle unità mediche che hanno dovuto essere ampliate con breve preavviso durante la pandemia, o la necessità di alloggi di emergenza a seguito di un disastro”.

I ricercatori pensano anche che il sistema di metamorfosi potrebbe essere utilizzato per creare una varietà di dispositivi robotici in grado di trasformarsi per rispondere a stimoli esterni o per svolgere diverse funzioni.

"Pensiamo anche che questo sistema potrebbe essere utilizzato per creare una nuova linea di giocattoli, in particolare giocattoli che possono aiutare le persone a esplorare alcuni concetti STEM fondamentali relativi alla fisica e all'ingegneria, " Dice Yin. "Siamo aperti a lavorare con collaboratori del settore per perseguire queste e altre potenziali applicazioni per il sistema".

La carta, "Metamorfosi di materia architettonica riconfigurabile e riprogrammabile ispirata al kirigami tridimensionale, " è pubblicato sulla rivista Materiali Oggi Fisica .