Crean una estructura que cambia de forma y tamaño de manera autoaccionada

Imagínese una casa que puede caber en una mochila o una pared que pueda convertirse en una ventana, con el simple accionamiento de un interruptor.

Investigadores de la Universidad de Harvard (Massachusetts, EE.UU.) han diseñado un nuevo tipo de material plegable que es versátil, ajustable y autoaccionado. Se puede cambiar su tamaño, volumen y forma; puede plegarse para soportar el peso de un elefante sin romperse, y expandirse de nuevo para prepararse para la siguiente tarea.

La investigación ha sido dirigida por Katia Bertoldi, profesora asociada de Ciencias Naturales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas; James Weaver, investigador del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología, y Chuck Hoberman, de la Escuela de Diseño. El artículo aparece en Nature Communications.

"Hemos diseñado una estructura tridimensional de pared delgada que se puede utilizar para fabricar objetos plegables y reprogramables de arquitectura arbitraria, y cuya forma, volumen y rigidez se pueden alterar drásticamente y ajustarse y controlarse continuamente", explica Johannes T. B. Overvelde, estudiante de doctorado del laboratorio de Bertoldi y primer autor del artículo, en la información de Harvard.

La estructura se inspira en una técnica de origami (papiroflexia) llamada esnapología, y está hecha de cubos extrudidos con 24 caras y 36 aristas. Al igual que el origami, el cubo se puede plegar a lo largo de sus bordes para cambiar de forma.

El equipo demostró, tanto teórica como experimentalmente, que el cubo se puede deformar de muchas formas diferentes plegando ciertos bordes, que actúan como bisagras. Asimismo, incrustó actuadores neumáticos en la estructura que se pueden programar para deformar bisagras específicas, cambiando la forma y el tamaño del cubo, y eliminando la necesidad de órdenes externas.

Aplicaciones

Los científicos conectaron 64 de estas células individuales para crear un cubo de 4x4x4 que puede crecer y reducirse, cambiar su forma global, cambiar la orientación de su microestructura, y doblarse hasta hacerse completamente plano.

A medida que la estructura cambia de forma, cambia también la rigidez, lo que significa que uno podría hacer que un material sea muy flexible o muy rígido usando el mismo diseño original. Estos cambios accionados en las propiedades del material le añaden una cuarta dimensión.

"Sabemos exactamente lo que necesitamos hacer para obtener la forma que queremos", explica Bertoldi. El material puede ser integrado con cualquier tipo de accionador, de tipo térmico, dieléctrico o incluso agua.

"Este sistema estructural tiene implicaciones interesantes para la arquitectura dinámica, como refugios portátiles, fachadas de edificios adaptables y techos retráctiles", dice Hoberman. "Aunque los enfoques actuales de estas aplicaciones se basan en la mecánica estándar, esta tecnología ofrece ventajas únicas, como que integra superficie y estructura, su simplicidad inherente de fabricación, y su capacidad para plegarse en un plano."

"Esta investigación muestra una nueva clase de materiales plegables que también es completamente escalable", dice Overvelde. "Se trabaja a partir de la nanoescala hasta la escala métrica y podría utilizarse para hacer cualquier cosa, desde stents quirúrgicos a cúpulas pop-up portátiles para auxilio en desastres".

Referencia bibliográfica:

Johannes T.B. Overvelde, Twan A. de Jong, Yanina Shevchenko, Sergio A. Becerra, George M. Whitesides, James C. Weaver, Chuck Hoberman, Katia Bertoldi: A three-dimensional actuated origami-inspired transformable metamaterial with multiple degrees of freedom. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms10929.