Los investigadores del Centro de Bits y Átomos del MIT han creado pequeños bloques de construcción que exhiben una variedad de propiedades mecánicas únicas, como la capacidad de producir un movimiento de torsión cuando se aprieta. Estas subunidades podrían potencialmente ser ensambladas por pequeños robots en una variedad casi ilimitada de objetos con funcionalidad incorporada. incluidos los vehículos, grandes piezas industriales, o robots especializados que se pueden reensamblar repetidamente en diferentes formas.

Los investigadores crearon cuatro tipos diferentes de estas subunidades, llamados vóxeles (una variación tridimensional de los píxeles de una imagen bidimensional). Cada tipo de vóxel exhibe propiedades especiales que no se encuentran en los materiales naturales típicos, y en combinación se pueden utilizar para fabricar dispositivos que respondan a los estímulos ambientales de forma predecible. Los ejemplos pueden incluir alas de avión o palas de turbina que responden a cambios en la presión del aire o la velocidad del viento cambiando su forma general.

Los resultados, que detallan la creación de una familia de "metamateriales mecánicos discretos, "se describen en un artículo publicado hoy en la revista Avances de la ciencia , escrito por el reciente doctorado del MIT, Benjamin Jenett Ph.D. '20, Profesor Neil Gershenfeld, y otros cuatro.

Los metamateriales reciben su nombre porque sus propiedades a gran escala son diferentes de las propiedades a nivel micro de los materiales que los componen. Se utilizan en electromagnetismo y como materiales "arquitectónicos", que están diseñados a nivel de su microestructura. "Pero no se ha hecho mucho para crear propiedades mecánicas macroscópicas como metamaterial, "Dice Gershenfeld.

Con este enfoque, Los ingenieros deben poder construir estructuras que incorporen una amplia gama de propiedades de los materiales, y producirlas todas utilizando los mismos procesos de producción y ensamblaje compartidos. Dice Gershenfeld.

Los vóxeles se ensamblan a partir de piezas de marco plano de polímeros moldeados por inyección, luego se combinan en formas tridimensionales que se pueden unir en estructuras funcionales más grandes. En su mayoría son espacios abiertos y, por lo tanto, proporcionan un marco extremadamente ligero pero rígido cuando se ensamblan. Además de la unidad rígida básica, que proporciona una combinación excepcional de resistencia y ligereza, hay otras tres variaciones de estos vóxeles, cada uno con una propiedad inusual diferente.

Los vóxeles "auxéticos" tienen una propiedad extraña en la que un cubo del material, cuando se comprime, en lugar de abultarse a los lados, en realidad se abulta hacia adentro. Esta es la primera demostración de un material de este tipo producido mediante métodos de fabricación convencionales y económicos.

También hay vóxeles "compatibles", con una relación de Poisson cero, que es algo similar a la propiedad auxética, pero en este caso, cuando el material está comprimido, los lados no cambian de forma en absoluto. Pocos materiales conocidos exhiben esta propiedad, que ahora se puede producir a través de este nuevo enfoque.

Finalmente, Los vóxeles "quirales" responden a la compresión axial o al estiramiento con un movimiento de torsión. De nuevo, esta es una propiedad poco común; La investigación que produjo uno de esos materiales a través de complejas técnicas de fabricación fue aclamada el año pasado como un hallazgo significativo. Este trabajo hace que esta propiedad sea fácilmente accesible a escalas macroscópicas.

"Cada tipo de propiedad de material que mostramos ha sido anteriormente su propio campo, "Dice Gershenfeld." La gente escribiría artículos sólo sobre esa propiedad. Esto es lo primero que los muestra a todos en un solo sistema ".

Para demostrar el potencial del mundo real de los objetos grandes construidos al estilo LEGO a partir de estos vóxeles producidos en masa, el equipo, trabajando en colaboración con ingenieros de Toyota, produjo un coche de carreras funcional de super-kilometraje, que demostraron en las calles durante una conferencia internacional de robótica a principios de este año.

Pudieron ensamblar el peso ligero, estructura de alto rendimiento en solo un mes, Jenett dice:mientras que la construcción de una estructura comparable utilizando métodos convencionales de construcción de fibra de vidrio había llevado antes un año.

Durante la demostración, las calles estaban resbaladizas por la lluvia, y el auto de carreras terminó chocando contra una barrera. Para sorpresa de todos los involucrados, la estructura interna en forma de celosía del automóvil se deformó y luego rebotó, absorbiendo el impacto con poco daño. Un coche de construcción convencional, Jenett dice:Probablemente habría sido severamente abollado si estuviera hecho de metal, o destrozado si fuera compuesto.

El automóvil proporcionó una demostración vívida del hecho de que estas piezas diminutas pueden usarse para fabricar dispositivos funcionales a escalas de tamaño humano. Y, Gershenfeld señala, en la estructura del coche, "Estas no son partes conectadas a otra cosa. Todo está hecho de nada más que estas partes, "excepto los motores y la fuente de alimentación.

Debido a que los vóxeles son uniformes en tamaño y composición, se pueden combinar de cualquier forma necesaria para proporcionar diferentes funciones para el dispositivo resultante. "Podemos abarcar una amplia gama de propiedades de materiales que antes se consideraban muy especializadas, "Dice Gershenfeld." El punto es que no tienes que elegir una propiedad. Puedes hacer, por ejemplo, robots que se doblan en una dirección y están rígidos en otra dirección y se mueven solo de ciertas maneras. Y entonces, el gran cambio con respecto a nuestro trabajo anterior es esta capacidad de abarcar múltiples propiedades mecánicas del material, que hasta ahora se han considerado de forma aislada ".

Jenett, quien llevó a cabo gran parte de este trabajo como base para su tesis doctoral, dice "estas piezas son de bajo costo, fácilmente producido, y muy rápido de montar, y obtienes esta gama de propiedades en un solo sistema. Todos son compatibles entre sí por lo que existen todos estos tipos diferentes de propiedades exóticas, pero todos juegan bien entre sí en el mismo escalable, sistema económico ".

"Piense en todas las piezas rígidas y móviles de coches, robots, barcos y aviones, "Dice Gershenfeld." Y podemos abarcar todo eso con este único sistema ".

Un factor clave es que una estructura compuesta por un tipo de estos vóxeles se comportará exactamente de la misma manera que la subunidad misma, Dice Jenett. "Pudimos demostrar que las uniones desaparecen efectivamente cuando se ensamblan las piezas. Se comporta como un continuo, material monolítico ".

Mientras que la investigación en robótica ha tendido a dividirse entre robots duros y blandos, "esto no es mucho, "Gershenfeld dice:because of its potential to mix and match these properties within a single device.

One of the possible early application of this technology, Jenett says, could be for building the blades of wind turbines. As these structures become ever larger, transporting the blades to their operating site becomes a serious logistical issue, whereas if they are assembled from thousands of tiny subunits, that job can be done at the site, eliminating the transportation issue. Similar, the disposal of used turbine blades is already becoming a serious problem because of their large size and lack of recyclability. But blades made up of tiny voxels could be disassembled on site, and the voxels then reused to make something else.

And in addition, the blades themselves could be more efficient, because they could have a mix of mechanical properties designed into the structure that would allow them to respond dynamically, passively, to changes in wind strength, él dice.

En general, Jenett says, "Now we have this low-cost, scalable system, so we can design whatever we want to. We can do quadrupeds, we can do swimming robots, we can do flying robots. That flexibility is one of the key benefits of the system."