Luxo Jr. e Mystique inspiram novas abordagens para materiais que mudam de forma

Prolongar / Cientistas de Harvard construíram materiais estruturais “totimórficos” que podem adotar e manter qualquer forma possível. Cientistas da Case Western Reserve University e da Tufts University estão explorando os cristais líquidos que mudam de forma.

Aurich Lawson / Harvard / Case Western Reserve

Luxo, Jr., Marca registrada da Pixar abajur de braço balanceado Luxo animado, é baseado em um design clássico conhecido como lâmpada angular, inventado pelo designer britânico George Carwardine em 1932. Quase noventa anos depois, a lâmpada angular ajudou a inspirar uma nova abordagem para a construção de materiais multifuncionais de transformação para robótica, biotecnologia e aplicações arquitetônicas, de acordo com um novo papel publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences.

Enquanto isso, os físicos da Case Western Reserve University e da Tufts University tropeçaram em outra abordagem promissora para a criação de novos materiais que mudam de forma. Os pesquisadores manipularam remotamente a superfície normalmente plana de um cristal líquido sem qualquer tipo de estímulo externo (como pressão ou calor), mudando sua aparência física apenas com a presença próxima de uma superfície acidentada. É o começo, mas os pesquisadores sugerem que sua abordagem pode, algum dia, permitir materiais que podem mudar de forma com a facilidade de The X-Men‘s Mystique. Eles descreveram seu trabalho em um novo papel publicado na revista Physical Review Letters.

O desenvolvimento de novos materiais de mudança de forma é uma área de pesquisa muito ativa porque existem muitas aplicações promissoras, como a construção de músculos artificiais – materiais feitos pelo homem, atuadores ou dispositivos semelhantes que imitam as características de contração, expansão e rotação (torque) do movimento de músculo natural. Por exemplo, em 2019, uma equipe de pesquisadores japoneses misturou um material orgânico cristalino com um polímero para torná-lo mais flexível, demonstrando sua prova de conceito usando seu material para fazer uma boneca de papel de alumínio fazer abdominais. A maioria dos músculos artificiais são projetados para responder a campos elétricos (como polímeros eletroativos), mudanças na temperatura (como ligas com memória de forma e linha de pesca), e mudanças na pressão do ar via pneumática.

Mais tarde naquele mesmo ano, os cientistas do MIT criaram uma classe dos chamados “Materiais 4D“que empregam a mesma técnica de fabricação da impressão 3D, mas que são projetadas para se deformar com o tempo em resposta às mudanças no ambiente, como umidade e temperatura. Às vezes também são conhecidos como origami ativo ou sistemas de transformação de forma.

As estruturas do MIT podem se transformar em estruturas muito mais complicadas do que as anteriores, incluindo um rosto humano. Esses tipos de materiais que mudam de forma podem um dia ser usados ​​para fazer tendas que podem se desdobrar e inflar por conta própria, apenas alterando a temperatura (ou outras condições ambientais). Outros usos potenciais incluem lentes telescópicas deformáveis, stents, andaimes para tecido artificial e robótica flexível.

Os pesquisadores de Harvard desenvolveram um material que muda de forma que pode assumir e manter qualquer forma possível.
Prolongar / Os pesquisadores de Harvard desenvolveram um material que muda de forma que pode assumir e manter qualquer forma possível.

Harvard SEAS / CC BY

T é para totimórfico

O que é único nas pesquisas mais recentes da equipe de Harvard é que seus conjuntos de blocos interligados, ou células, podem assumir e manter qualquer número de configurações; a maioria dos materiais que mudam de forma são limitados a apenas um punhado. É por isso que são chamados de materiais estruturais “totimórficos”.

“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 o co-autor L Mahadevan de Harvard’s Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS). “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.”

O truque para qualquer material que muda de forma é encontrar o ponto ideal onde a rigidez e a elasticidade (ou conformabilidade) são otimizadas. Se um material tem muita conformabilidade, ele não pode manter as diferentes formas que adota porque a configuração não será estável. Se um material for muito rígido, ele não poderá assumir novas configurações. É aí que entra a lâmpada angular. A cabeça da lâmpada “é infinitamente morfável em virtude de ter um conjunto de molas opostas em tensão que mudam seus comprimentos enquanto a energia total permanece constante”, escreveram os autores.

Em outras palavras, a cabeça do Luxo Jr. permanecerá estável em qualquer posição porque suas molas se esticarão e se comprimirão da maneira que for necessário para neutralizar a força da gravidade. O termo técnico é uma “estrutura neutra estável”: uma estrutura na qual os elementos rígidos e elásticos estão idealmente equilibrados, permitindo-lhes fazer a transição entre um número infinito de posições ou orientações, permanecendo estáveis ​​em todas elas. Mahadevan e seus colegas construíram essencialmente uma montagem usando dobradiças comutáveis ​​individuais como blocos de construção para obter o mesmo equilíbrio entre rigidez e conformabilidade.

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

“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 o co-autor Gaurav Chaudhary, um pós-doutorado no SEAS. “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. ”

Como uma prova de conceito, a equipe demonstrou que uma única folha de suas células totimórficas pode se curvar, torcer em uma hélice, suportar peso e até mesmo se transformar em formas semelhantes a rostos. “Mostramos que podemos montar esses elementos em estruturas que podem assumir qualquer forma com respostas mecânicas heterogêneas,” disse o co-autor S. Ganga Prasath, outro pós-doutorado SEAS. “Como esses materiais são baseados na geometria, eles podem ser reduzidos para serem usados ​​como sensores em robótica ou biotecnologia ou podem ser reduzidos para serem usados ​​na escala arquitetônica.


Source: Ars Technica by arstechnica.com.

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