Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) e il California Institute of Technology (Caltech), Stati Uniti, hanno sviluppato un nuovo tipo di tessuto "cotta di maglia" che è flessibile come il tessuto ma può irrigidirsi su richiesta.

Il tessuto leggero è stampato in 3D da polimeri plastici di nylon e comprende ottaedri cavi (una forma con otto facce triangolari uguali) che si intrecciano tra loro.

Quando il morbido tessuto viene avvolto in una busta di plastica flessibile e confezionato sottovuoto, si trasforma in una struttura rigida che è 25 volte più rigida o più difficile da piegare rispetto a quando è rilassata. Il principio fisico alla base si chiama " transizione inceppata ", simile al comportamento di irrigidimento nei sacchetti sottovuoto di riso o fagioli.

Conosciuti come "tessuti strutturati indossabili", lo sviluppo potrebbe aprire la strada a tessuti intelligenti di prossima generazione che possono indurirsi per proteggere un utente da un impatto o quando è necessaria una capacità di carico aggiuntiva.

Le potenziali applicazioni possono includere giubbotti antiproiettile o a prova di pugnalata, supporto medico configurabile per anziani, ed esoscheletri protettivi per sport ad alto impatto o luoghi di lavoro come i cantieri.

Pubblicato oggi in Natura , questa ricerca interdisciplinare è il risultato di una collaborazione tra esperti in ingegneria meccanica e manifattura avanzata.

Autore principale del documento, Nanyang Assistant Professor Wang Yifan, ha affermato che la loro ricerca ha un significato fondamentale oltre che una rilevanza industriale e che potrebbe portare a una nuova piattaforma tecnologica con applicazioni nei sistemi medici e robotici che possono avvantaggiare la società.

"Con un tessuto tecnico leggero e modulabile, facilmente modificabile da morbido a rigido, possiamo usarlo per soddisfare le esigenze dei pazienti e dell'invecchiamento della popolazione, ad esempio, per creare esoscheletri che possano aiutarli a stare in piedi, trasportare carichi e assisterli nelle loro attività quotidiane, " ha affermato l'assistente prof. Wang della Scuola di ingegneria meccanica e aerospaziale della NTU, che ha iniziato questa ricerca quando era un ricercatore post-dottorato al Caltech.

"Ispirato all'antica armatura di cotta di maglia, abbiamo utilizzato particelle cave di plastica che sono interconnesse per migliorare la rigidità dei nostri tessuti regolabili. Per aumentare ulteriormente la rigidità e la resistenza del materiale, ora stiamo lavorando su tessuti realizzati con vari metalli tra cui alluminio, che potrebbe essere utilizzato per applicazioni industriali su larga scala che richiedono una maggiore capacità di carico, come ponti o edifici".

Autore corrispondente dell'articolo, Professoressa Chiara Daraio, G. Bradford Jones Professor di Caltech di ingegneria meccanica e fisica applicata, disse, "Volevamo realizzare materiali in grado di modificare la rigidità a comando. Vorremmo creare un tessuto che passa da morbido e pieghevole a rigido e portante in modo controllabile".

Un esempio della cultura popolare sarebbe il mantello di Batman nel film del 2005 Batman inizia , che è generalmente flessibile ma può essere reso rigido a piacimento quando il crociato incappucciato ne ha bisogno come aliante.

La scienza dietro il tessuto ad incastro

Il concetto scientifico alla base del tessuto a rigidità variabile è chiamato "transizione inceppata". Questa è una transizione in cui gli aggregati di particelle solide passano da uno stato morbido simile a un fluido a uno stato rigido simile a un solido, con un leggero aumento della densità di imballaggio. Però, le particelle solide tipiche sono solitamente troppo pesanti e non forniscono una resistenza alla trazione sufficiente per applicazioni indossabili.

Nella loro ricerca, gli autori hanno progettato particelle strutturate, in cui ogni particella è costituita da telai cavi, a forma di anelli, ovali, piazze, cubi, piramidi e diverse forme di ottaedri che vengono poi intrecciati tra loro. Queste strutture, note come strutture topologicamente interconnesse, può quindi essere formato in un tessuto di maglia a catena che ha una bassa densità e tuttavia un'elevata rigidità alla trazione, utilizzando la tecnologia di stampa 3D all'avanguardia per stamparli come un unico pezzo.

Hanno quindi modellato il numero di punti di contatto medi per particella e quanto ciascuna struttura si piegherà in risposta alla quantità di stress applicata. Il team ha scoperto che personalizzando la forma delle particelle, c'era un compromesso tra quanto peso avranno le particelle rispetto a quanto il tessuto può piegarsi, e come bilanciare i due fattori.

Per aggiungere un modo per controllare la rigidità del tessuto, il team ha incapsulato il tessuto della cotta di maglia in una busta di plastica flessibile e ha compattato i tessuti usando un vuoto, che esercita una pressione dall'esterno. La pressione del vuoto aumenta la densità di imballaggio del tessuto, facendo in modo che ogni particella abbia più contatto con le sue vicine, risultante, per il tessuto a base ottaedrica, in una struttura 25 volte più rigida. Quando si forma in un piatto, struttura a forma di tavolo e bloccata sottovuoto, il tessuto potrebbe contenere un carico di 1,5 kg, più di 50 volte il peso proprio dei tessuti.

In un altro esperimento, la squadra ha lasciato cadere una pallina d'acciaio (30 grammi, misura 1,27 cm di diametro) sulla cotta di maglia a 3 metri al secondo. L'impatto ha deformato il tessuto fino a 26 mm quando era rilassato, ma di soli 3 mm quando è stato irrigidito, una riduzione di sei volte della profondità di penetrazione.

Per mostrare le possibilità del loro concetto di tessuto utilizzando diversi materiali di partenza, il team ha stampato in 3D la cotta di maglia utilizzando l'alluminio e ha dimostrato che ha la stessa flessibilità e prestazioni "morbide" del nylon quando rilassata, ma potrebbe anche essere "incastrata" in strutture che sono molto più rigide rispetto al nylon a causa dell'alluminio maggiore rigidità e resistenza.

Queste cotte di maglia metalliche potrebbero essere utilizzate in applicazioni come giubbotti antiproiettile, dove devono proteggersi dagli urti violenti e ad alta velocità di oggetti appuntiti. In tal caso, il materiale di incapsulamento o involucro potrebbe essere costituito da fibre aramidiche, comunemente noto come Kevlar, utilizzato come tessuto nei giubbotti antiproiettile.

Andando avanti, il team sta cercando di migliorare le prestazioni del materiale e del tessuto della propria cotta di maglia e di esplorare più metodi per irrigidirla, come attraverso il magnetismo, elettricità o temperatura.