I ricercatori del MIT e altrove hanno progettato strutture simili a maglie stampate in 3D che si trasformano da strati piatti in forme predeterminate, in risposta alle variazioni della temperatura ambiente. Le nuove strutture possono trasformarsi in configurazioni più complesse di quelle che possono ottenere altri materiali e strutture che cambiano forma.

A dimostrazione, i ricercatori hanno stampato una maglia piatta che, quando esposto a una certa differenza di temperatura, si deforma nella forma di un volto umano. Hanno anche progettato una rete incorporata con metallo liquido conduttivo, che si curva in una cupola per formare un'antenna attiva, la cui frequenza di risonanza cambia mentre si deforma.

Il nuovo metodo di progettazione del team può essere utilizzato per determinare il modello specifico delle strutture a maglia piatta da stampare, date le proprietà del materiale, per trasformare la struttura nella forma desiderata.

I ricercatori dicono che lungo la strada, la loro tecnica può essere utilizzata per progettare strutture dispiegabili, come tende o coperture che si aprono e si gonfiano automaticamente in risposta a variazioni di temperatura o altre condizioni ambientali.

Tale complesso, le strutture che cambiano forma potrebbero anche essere utili come stent o impalcature per tessuti artificiali, o come lenti deformabili nei telescopi. Wim van Rees, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT, vede anche applicazioni nella robotica morbida.

"Mi piacerebbe vedere questo incorporato in, Per esempio, una medusa robotica che cambia forma per nuotare mentre la mettiamo in acqua, " dice van Rees. "Se potessi usare questo come attuatore, come un muscolo artificiale, l'attuatore potrebbe essere qualsiasi forma arbitraria che si trasforma in un'altra forma arbitraria. Quindi stai entrando in uno spazio di design completamente nuovo nella robotica morbida."

Van Rees e i suoi colleghi pubblicheranno i loro risultati questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . I suoi coautori sono J. William Boley della Boston University; Ryan Truby, Arda Kotikian, Jennifer Lewis, e L. Mahadevan dell'Università di Harvard; Charles Lissandrello del Laboratorio Draper; e Mark Horenstein dell'Università di Boston.

Limite della confezione regalo

Due anni fa, van Rees ha ideato un progetto teorico su come trasformare un sottile foglio piatto in una forma complessa come un volto umano. Fino ad allora, i ricercatori nel campo dei materiali 4-D, materiali progettati per deformarsi nel tempo, avevano sviluppato modi per modificare determinati materiali, o metamorfosi, ma solo in strutture relativamente semplici.

"Il mio obiettivo era iniziare con una forma 3D complessa che vogliamo ottenere, come un volto umano, e poi chiedi, 'Come programmiamo un materiale in modo che ci arrivi?'", dice van Rees. "Questo è un problema di design inverso".

Ha inventato una formula per calcolare l'espansione e la contrazione che le regioni di un foglio di materiale a doppio strato dovrebbero raggiungere per raggiungere la forma desiderata, e ha sviluppato un codice per simularlo in un materiale teorico. Poi ha messo in pratica la formula, e visualizzato come il metodo potrebbe trasformare un appartamento, disco continuo in un volto umano complesso.

Ma lui e i suoi collaboratori hanno scoperto rapidamente che il metodo non si applicava alla maggior parte dei materiali fisici, almeno se cercassero di lavorare con fogli continui. Mentre van Rees usava un foglio continuo per le sue simulazioni, era di un materiale idealizzato, senza vincoli fisici sulla quantità di espansione e contrazione che potrebbe raggiungere. La maggior parte dei materiali, in contrasto, hanno capacità di crescita molto limitate. Questa limitazione ha profonde conseguenze su una proprietà nota come doppia curvatura, significa una superficie che può curvarsi simultaneamente in due direzioni perpendicolari, un effetto descritto in un teorema di quasi 200 anni di Carl Friedrich Gauss chiamato Teorema Egregium, Latino per "Teorema notevole".

Se hai mai provato a incartare un pallone da calcio, hai sperimentato questo concetto nella pratica:trasformare la carta, che non ha affatto curvatura, a forma di palla, che ha doppia curvatura positiva, devi piegare e accartocciare la carta ai lati e in basso per avvolgere completamente la palla. In altre parole, affinché il foglio di carta si adatti ad una forma con doppia curvatura, dovrebbe allungarsi o contrarsi, o entrambi, nei punti necessari per avvolgere uniformemente una palla.

Per conferire una doppia curvatura a un foglio mutaforma, i ricercatori hanno cambiato la base della struttura da un foglio continuo a un reticolo, o maglia. L'idea era duplice:primo, una flessione indotta dalla temperatura delle nervature del reticolo comporterebbe espansioni e contrazioni molto più grandi dei nodi della maglia, di quanto si potrebbe ottenere in un foglio continuo. Secondo, i vuoti nel reticolo possono facilmente adattarsi a grandi cambiamenti nell'area superficiale quando le nervature sono progettate per crescere a velocità diverse attraverso il foglio.

I ricercatori hanno anche progettato ogni singola nervatura del reticolo per piegarsi di un grado predeterminato al fine di creare la forma di, dire, un naso piuttosto che un'orbita.

Per ogni costola, incorporavano quattro costole più magre, disponendone due per allinearsi sopra gli altri due. Tutte e quattro le miniribs sono state realizzate con variazioni accuratamente selezionate dello stesso materiale di base, per calibrare le diverse risposte richieste alla temperatura.

Quando le quattro mininervature sono state unite nel processo di stampa per formare una costola più grande, la nervatura nel suo insieme potrebbe curvarsi a causa della differenza di risposta alla temperatura tra i materiali delle nervature più piccole:se un materiale è più sensibile alla temperatura, potrebbe preferire allungarsi. Ma poiché è legato a una costola meno reattiva, che resiste all'allungamento, l'intera nervatura si curverà invece.

I ricercatori possono giocare con la disposizione delle quattro costole per "preprogrammare" se la costola nel suo insieme si curva fino a formare parte di un naso, o scende come parte di una cavità oculare.

Forme sbloccate

Per fabbricare un reticolo che si trasformi nella forma di un volto umano, i ricercatori hanno iniziato con un'immagine 3D di un volto, per essere precisi, il volto di Gauss, i cui principi di geometria sono alla base di gran parte dell'approccio del team. Da questa immagine, hanno creato una mappa delle distanze che una superficie piana richiederebbe per salire o scendere per conformarsi alla forma del viso. Van Rees ha quindi ideato un algoritmo per tradurre queste distanze in un reticolo con uno schema specifico di nervature, e rapporti di miniribs all'interno di ogni nervatura.

Il team ha stampato il reticolo da PDMS, un comune materiale gommoso che si espande naturalmente se esposto ad un aumento della temperatura. Hanno regolato la reattività alla temperatura del materiale infondendo una soluzione di esso con fibre di vetro, rendendolo fisicamente più rigido e resistente agli sbalzi di temperatura. Dopo aver stampato motivi reticolari del materiale, hanno curato il reticolo in un forno a 250 gradi Celsius, poi lo tirò fuori e lo mise in un bagno di acqua salata, dove si è raffreddato a temperatura ambiente e si è trasformato nella forma di un volto umano.

Il team ha anche stampato un disco reticolare composto da nervature incastonate con un inchiostro di metallo liquido, una sorta di antenna, che ha cambiato la sua frequenza di risonanza mentre il reticolo si trasformava in una cupola.

Van Rees e i suoi colleghi stanno attualmente studiando modi per applicare la progettazione di complessi mutamenti di forma a materiali più rigidi, per applicazioni più robuste, come tende termosensibili e pinne e ali semoventi.