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Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A.
Paulson (SEAS) de Harvard han desarrollado un material que cambia de forma y que puede
adoptar y mantener cualquier forma posible, lo que abre el camino a un nuevo
tipo de material multifuncional que podría utilizarse en una serie de
aplicaciones, desde la robótica y la biotecnología hasta la arquitectura. La
investigación se publica en la revista
Proceedings of the National Academy of Sciences.
Uno de los mayores retos a la hora de diseñar materiales que se
transforman en formas es equilibrar las necesidades aparentemente
contradictorias de conformabilidad y rigidez. La conformabilidad permite la
transformación en nuevas formas, pero si es demasiado conforme, no puede
mantener las formas de forma estable. La rigidez ayuda a fijar el material en
su sitio, pero si es demasiado rígido, no puede adoptar nuevas formas.
El
equipo comenzó con una célula unitaria neutralmente estable con dos elementos
rígidos, un puntal y una palanca, y dos muelles elásticos estirables. Si
alguna vez has visto el principio de una
película de Pixar, habrás visto un material neutralmente estable. La cabeza de la lámpara de
Pixar es estable en cualquier posición porque la fuerza de la gravedad siempre
es contrarrestada por los muelles que se estiran y comprimen de forma
coordinada, independientemente de la configuración de la lámpara. En general,
en los sistemas neutralmente estables, una combinación de elementos rígidos y
elásticos equilibra la energía de las células, haciendo que cada una sea
neutralmente estable, lo que significa que pueden transitar entre un número
infinito de posiciones u orientaciones y ser estables en cualquiera de ellas.
"Al disponer de una célula unitaria neutralmente estable, podemos separar
la geometría del material de su respuesta mecánica tanto a nivel
individual como colectivo".
"La geometría de la célula unitaria puede variarse modificando
tanto su tamaño global como la longitud del puntal móvil, mientras que su
respuesta elástica puede modificarse variando la rigidez de los muelles dentro
de la estructura o la longitud de los puntales y los eslabones", afirma Gaurav
Chaudhary, becario postdoctoral en SEAS y cofundador del artículo.
Los
investigadores bautizaron el conjunto como "materiales totimórficos" por su capacidad de transformarse en cualquier forma estable. Los
investigadores conectaron células unitarias individuales con uniones
naturalmente estables, construyendo estructuras bidimensionales y
tridimensionales a partir de células totimórficas individuales.
Los
investigadores utilizaron tanto modelos matemáticos como demostraciones en el
mundo real para demostrar la capacidad de cambio de forma del material. El
equipo demostró que una sola hoja de células totimórficas puede curvarse,
girar en forma de hélice, adoptar la forma de dos caras distintas e incluso
soportar peso.
"En conjunto, estos totimorfos abren el camino a una nueva clase de materiales cuya respuesta a la deformación puede controlarse a múltiples escalas", dijo Mahadevan.
Fuentes, créditos y referencias:
Gaurav Chaudhary et al, Totimorphic assemblies from neutrally stable units, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2107003118
Imagen: Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard han desarrollado un material que cambia de forma y que puede adoptar y mantener cualquier forma posible, lo que allana el camino para un nuevo tipo de material multifuncional que podría utilizarse en una serie de aplicaciones, desde la robótica y la biotecnología hasta la arquitectura. Crédito: Harvard SEAS