Se hai mai aperto un ombrellone o installato una sedia pieghevole, hai utilizzato una struttura distribuibile, un oggetto che può passare da uno stato compatto a uno espanso. Probabilmente avrai notato che tali strutture di solito richiedono meccanismi di bloccaggio piuttosto complicati per tenerle in posizione. E, se hai mai provato ad aprire un ombrello al vento o a piegare una sedia pieghevole particolarmente perspicace, sai che le strutture dispiegabili di oggi non sono sempre affidabili o autonome.

Ora, un team di ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ha sfruttato l'effetto domino per progettare sistemi implementabili che si espandono rapidamente con una piccola spinta e sono stabili e bloccati in posizione dopo l'implementazione.

La ricerca è pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

"Oggi, le strutture multistabili vengono utilizzate in una vasta gamma di applicazioni tra cui architetture riconfigurabili, dispositivi medici, robot morbidi, e pannelli solari dispiegabili per il settore aerospaziale, " disse Ahmad Zareei, un borsista post-dottorato in Matematica Applicata presso SEAS e primo autore dell'articolo. "Generalmente, dispiegare queste strutture, hai bisogno di un complicato processo di attuazione ma qui, usiamo questo semplice effetto domino per creare un processo di distribuzione affidabile."

Meccanicamente parlando, un effetto domino si verifica quando un elemento costitutivo multistabile (il domino) passa dal suo stato ad alta energia (in piedi) al suo stato a bassa energia (sdraiato), in risposta a uno stimolo esterno come la pressione di un dito. Quando il primo domino viene rovesciato, trasferisce la sua energia al suo vicino, l'avvio di un'onda che commuta in sequenza tutti gli elementi costitutivi dagli stati ad alta energia a quelli a bassa energia.

I ricercatori si sono concentrati su un semplice sistema di giunti bistabili collegati da barre rigide. In primo luogo hanno dimostrato che, progettando con cura le connessioni tra i collegamenti, le onde di transizione potrebbero propagarsi attraverso l'intera struttura, trasformando la configurazione diritta iniziale in una curva. Quindi, utilizzando questi elementi costitutivi, il team di ricerca ha progettato una cupola dispiegabile che potrebbe sollevarsi da piatta con una piccola spinta.

"Essere in grado di prevedere e programmare questo tipo di comportamento altamente non lineare apre molte opportunità e ha il potenziale non solo per il morphing di superfici e dispositivi riconfigurabili, ma anche per la propulsione nella robotica morbida, logica meccanica, e assorbimento di energia controllato, "ha detto Katia Bertoldi, William e Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics presso SEAS e autore senior dello studio.

Il laboratorio di Bertoldi sta anche lavorando alla comprensione e al controllo delle onde di transizione nei metamateriali meccanici bidimensionali. In un recente documento, pubblicato anche su PNAS , il team ha dimostrato un sistema 2-D in cui possono controllare la direzione, forma, e la velocità delle onde di transizione modificando la forma o la rigidità dei mattoni e incorporando i difetti nei materiali.

I ricercatori hanno progettato materiali in cui le onde si muovevano orizzontalmente, verticalmente, diagonalmente, circolarmente, e persino si dimenava avanti e indietro come un serpente.

"Il nostro lavoro aumenta notevolmente lo spazio progettuale e la funzionalità dei metamateriali, e apre un nuovo percorso per controllare le deformazioni all'interno del materiale nelle posizioni e velocità desiderate, "ha detto Ahmad Rafsanjani, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore del documento.

"Onde di transizione guidate in metamateriali meccanici multistabili" è stato co-autore di Lishuai Jin, Romik Khajehtourian, Jochen Mueller, Vincent Tournat, e Dennis M. Kochmann.