Los ingenieros han desarrollado un material inspirado en la cota de malla que puede transformarse de un estado fluido y flexible a formas sólidas específicas bajo presión. Crédito: Caltech
Los ingenieros de Caltech y JPL han desarrollado un material inspirado en la malla que puede transformarse de un estado fluido y flexible a formas sólidas específicas bajo presión.
El material tiene aplicaciones potenciales como tejido inteligente para exoesqueletos, o como molde adaptativo que ajusta su rigidez cuando una lesión cicatriza, o incluso como puente plegable que puede desenrollarse y endurecerse, según Chiara Daraio, profesora G. Bradford Jones de Caltech of Mechanical Engineering and Applied Physics y autor correspondiente de un estudio que describe el material que se publicó en Naturaleza el 11 de agosto.
Queríamos fabricar materiales que pudieran cambiar la rigidez a voluntad ”, dice Daraio. «Nos gustaría crear una tela que vaya de suave y flexible a rígida y controlablemente resistente». Un ejemplo de la cultura popular sería la portada de Batman de la película de 2005. El comienzo de batman, que es generalmente flexible, pero puede volverse rígido a voluntad cuando el Caped Crusader lo necesita como superficie deslizante.
Un material hecho de octaedros entrelazados. Crédito: Caltech
Los materiales que cambian las propiedades de manera similar ya existen a nuestro alrededor, señala Daraio. “Piense en el café en una bolsa sellada al vacío. Cuando todavía está empaquetado, es sólido, a través de un proceso que llamamos «atasco». Pero tan pronto como abres el paquete, los granos de café ya no se pegan y puedes verterlos como un líquido ”, dice.
Los granos de café individuales y las partículas de arena tienen formas complejas pero desconectadas y solo pueden adherirse cuando se compactan. Sin embargo, las láminas de anillo encuadernadas se pueden bloquear juntas en ambas compresiones. y tensión (cuando se juntan o se separan). “Esa es la clave”, dice Daraio. «Probamos una serie de partículas para ver cuáles ofrecían flexibilidad y rigidez ajustable, y aquellas que simplemente se quedaban atrapadas bajo un tipo de estrés tendían a funcionar mal».
Para explorar qué materiales funcionarían mejor, Daraio, junto con el ex investigador postdoctoral de Caltech Yifan Wang y el ex estudiante graduado de Caltech Liuchi Li (PhD ’19) como coautores principales de la Naturaleza En papel, diseñó una serie de configuraciones de partículas conectadas, desde anillos de conexión hasta cubos de conexión y octaedros (que se asemejan a dos pirámides conectadas en la base). Los materiales se imprimieron en 3D a partir de polímeros e incluso metales, con la ayuda de Douglas Hofmann, científico principal de JPL, que Caltech administra para la NASA. Estas configuraciones fueron luego simuladas en una computadora con un modelo del grupo de José E. Andrade, profesor George W. Housner de Ingeniería Civil y Mecánica y residente en Caltech, especialista en modelado de materiales granulares.
Prueba de la resistencia al impacto del material cuando no está bloqueado (blando). Crédito: Caltech
Prueba de la resistencia al impacto del material cuando está pegado (duro). Crédito: Caltech
“Los materiales granulares son un hermoso ejemplo de sistemas complejos, donde interacciones simples a escala de grano pueden conducir a un comportamiento estructural complejo. En esta aplicación de tamaño de malla, la capacidad de transportar cargas de tracción en una escala de grano es un cambio de juego. Es como tener una cuerda que puede soportar cargas compresivas. La capacidad de simular un comportamiento tan complejo abre la puerta a un diseño y rendimiento estructural extraordinarios ”, dice Andrade.
Los ingenieros aplicaron tensión externa, comprimiendo las telas usando una cámara de vacío o dejando caer un peso para controlar la unión del material. En un experimento, una tela de cota de malla cerrada al vacío pudo soportar una carga de 1,5 kg, más de 50 veces el peso de la tela en sí. Los tejidos que mostraron las mayores variaciones en las propiedades mecánicas (de flexibles a rígidos) fueron aquellos con mayor número promedio de contactos entre las partículas, como anillos y cuadrados conectados, similar a la malla medieval.
“Estos tejidos tienen aplicaciones potenciales en dispositivos portátiles inteligentes: cuando no están bloqueados, son livianos, compatibles y cómodos de usar; después de la transición de interferencia, se convierten en una capa protectora y de apoyo en el cuerpo del usuario ”, dice Wang, ahora profesor asistente en la Universidad de Tecnología de Nanyang en Singapur.
Cuando se endurece, el material tiene el potencial de actuar como un puente fuerte. Crédito: Caltech
En el ejemplo de un puente que podría desenrollarse y luego cruzarse, Daraio imagina el paso de cables a través del material, que luego se aprietan para bloquear las partículas. “Piense en estos cables como los cordones de una sudadera”, dice, señalando que ahora está explorando este esquema de cables y otras posibilidades.
En el trabajo paralelo en las llamadas superficies inteligentes, que son superficies que pueden cambiar de forma a configuraciones específicas a voluntad, Daraio, junto con el becario postdoctoral Ke Liu y el estudiante visitante Felix Hacker, demostraron recientemente un método para controlar la forma de una superficie incorporando redes. de elastómeros de cristal líquido sensibles al calor (LCE), tiras delgadas de polímero que se encogen cuando se calientan. Estos LCE contienen bobinas calefactoras extensibles que pueden cargarse con corriente eléctrica, lo que las calienta y hace que se contraigan. A medida que los LCE se contrajeron, tiraron del material flexible en el que estaban incrustados y lo comprimieron en una forma sólida predefinida.
Este trabajo, que fue publicado el 7 de abril en la revista Ciencia robótica, puede ser útil para la colaboración remota donde se requiere un componente físico de colaboración, dispositivos médicos y hápticos (que utilizan tecnología para simular la sensación física para la realidad virtual). A continuación, el equipo planea miniaturizar y optimizar el diseño de tejidos estructurados y sistemas inteligentes para acercarlos a aplicaciones prácticas.
Referencias:
“Tejidos estructurados con propiedades mecánicas ajustables” de Yifan Wang, Liuchi Li, Douglas Hofmann, José E. Andrade y Chiara Daraio, 11 de agosto de 2021, Nature.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03698-7
«Superficies de robot con control espaciotemporal reversible para la transformación de formas y la manipulación de objetos» por Ke Liu, Felix Hacker y Chiara Daraio, 7 de abril de 2021, Ciencia robótica.
DOI: 10.1126 / scirobotics.abf5116
O Naturaleza el artículo se titula “Tejidos estructurados con propiedades mecánicas ajustables”. La investigación fue apoyada por el Fondo de Innovación Espacial Foster and Coco Stanback de Caltech, Facebook y la Oficina de Investigación del Ejército.
O Ciencia robótica El artículo se titula «Superficies robóticas con control espacio-temporal reversible para transformación de formas y manipulación de objetos». La investigación fue financiada por la National Science Foundation y la Army Research Office.
