MIT, Los bloques de construcción versátiles crean estructuras sorprendentes

Fig. 1 Descripción y caracterización discreta del subsistema mecánico de metamateriales.
( A ) Una red de 3 × 3 × 3 consta de 27 vóxeles individuales. ( B ) Los vóxeles constan de seis caras individuales. ( C ) Las caras consisten en vigas y juntas. ( D ) Resultados experimentales para la caracterización del subsistema, donde vemos que las uniones (remaches + nodos) son individualmente más rígidas y fuertes que los vóxeles, que se rigen por las propiedades de la viga. ( E ) Configuraciones de prueba del subsistema. Crédito de la foto: Benjamin Jenett, MIT.

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 vehículos, piezas industriales grandes o robots especializados que se pueden reensamblar repetidamente en diferentes formas.

Los investigadores crearon cuatro tipos diferentes de estas subunidades, llamadas vóxeles (una variación en 3D de los píxeles de una imagen en 2D). Cada tipo de vóxel exhibe propiedades especiales que no se encuentran en los materiales naturales típicos y, en combinación, pueden usarse para fabricar dispositivos que responden a los estímulos ambientales de manera 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 hallazgos, que detallan la creación de una familia de «metamateriales mecánicos» discretos, se describen en un artículo publicado hoy en la revista Science Advances , escrito por el reciente doctorado del MIT Benjamin Jenett PhD ’20, el profesor Neil Gershenfeld y otros cuatro.

bloques de construcción versátiles   bloques de construcción versátiles   bloques de construcción versátiles      bloques de construcción versátiles       bloques de construcción versátiles    bloques de construcción versátiles 

Fig. 2 Cuatro tipos de metamateriales mecánicos ensamblados discretamente.
De izquierda a derecha: rígido, compatible, auxético y quiral. ( A ) Partes frontales tal como están moldeadas. ( B ) Vóxel único, vista frontal. ( C ) Un cubo de 2 × 2 × 2, vista frontal. ( D ) Vóxel único, vista oblicua. ( E ) Una vista oblicua de 2 × 2 × 2. Barras de escala, 10 mm (A), 25 mm (B y D) y 50 mm (C y E). Crédito de la foto: Benjamin Jenett, MIT.

«Esta síntesis notable, fundamental y hermosa promete revolucionar el costo, la adaptabilidad y la eficiencia funcional de las estructuras ultraligeras y con materiales frugal», dice Amory Lovins, profesor adjunto de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Stanford y fundador del Rocky Mountain Institute. , quien no estuvo asociado con este trabajo.

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 se diseñan al nivel de su microestructura. “Pero no se ha hecho mucho para crear propiedades mecánicas macroscópicas como metamaterial”, dice Gershenfeld.

Con este enfoque, los ingenieros deberían poder construir estructuras que incorporen una amplia gama de propiedades del material, y producirlas todas utilizando los mismos procesos de producción y ensamblaje compartidos, dice Gershenfeld.       bloques de construcción versátiles

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.

Fig. 3 Metamaterial mecánico rígido.
( A ) Vóxel de celda unitaria característica que demuestra pandeo de la viga y deformación transversal positiva en respuesta a la carga de compresión. ( B ) Configuración de prueba experimental para n = 1 a 4, sin deformar (izquierda) y en la falla inicial del haz (derecha). ( C ) Parámetros geométricos para simulaciones, donde el espesor del haz t es una función de celosía pitch P . ( D ) Rigidez efectiva para la simulación del modelo de haz de orden reducido y resultados experimentales que demuestran un comportamiento asintótico que se acerca al valor continuo al aumentar el recuento de vóxeles. ( E) Resultados de simulación de modelo de haz de orden reducido para celosía rígida y compatible de cubo de 10 × 10 × 10. Se pueden observar valores de escala de módulo-densidad que son lineales para rígidos y casi cuadráticos para cumplir. Crédito de la foto: Benjamin Jenett, MIT.

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 fuerza y ​​peso ligero, hay otras tres variaciones de estos vóxeles, cada una 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 se comprime, 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 estiramiento con un movimiento de torsión. Nuevamente, esta es una propiedad poco común; La investigación que produjo uno de esos materiales mediante 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 material que mostramos ha sido anteriormente su propio campo”, dice Gershenfeld. “La gente escribiría artículos sobre esa propiedad. Esto es lo primero que los muestra todos en un solo sistema «.

Fig. 4 Metamaterial mecánico compatible.
( A ) Vóxel de celda unitaria característica que demuestra la deformación de la viga de resorte de flexión y una pequeña deformación transversal en respuesta a la carga de compresión. ( B ) Configuración de prueba experimental para n = 1 a 4, sin deformación (izquierda) y al inicio de la no linealidad (derecha). ( C ) Parámetros geométricos para simulaciones, donde la primavera-haz de amplitud una es una función de celosía pitch P . ( D ) Simulación de rigidez efectiva y resultados experimentales, que muestran un valor casi continuo con un recuento de vóxeles bajo para todos los diseños de amplitud de viga de resorte excepto los más pequeños. ( E) Resultados de simulación para una relación de Poisson efectiva para celosías rígidas y compatibles, con grandes amplitudes de viga de resorte que tienen un valor cercano a cero. Crédito de la foto: Benjamin Jenett, MIT.

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

Pudieron ensamblar la estructura liviana y de alto rendimiento en solo un mes, dice Jenett, mientras que construir una estructura comparable utilizando métodos de construcción de fibra de vidrio convencionales les había llevado un año.

Durante la carrera, la pista estaba resbaladiza por la lluvia y el auto de carrera 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 automóvil de construcción convencional, dice Jenett, probablemente se habría abollado severamente si estuviera hecho de metal, o se habría hecho añicos si hubiera sido compuesto.

El automóvil proporcionó una vívida demostración del hecho de que estas pequeñas piezas pueden usarse para fabricar dispositivos funcionales a escalas de tamaño humano. Y, señala Gershenfeld, en la estructura del automóvil, “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.

Fig. 5 Metamaterial mecánico auxético.
( A ) Vóxel de celda unitaria característica que demuestra la acción del mecanismo reentrante que da como resultado una deformación transversal negativa en respuesta a la carga de compresión. ( B ) Configuración de prueba experimental para n = 1 a 4, sin deformar (izquierda) y deformada a una deformación de 0.2 (derecha), con los puntos medidos en las caras laterales con un círculo rojo. ( C ) Resultados de la simulación del modelo de haz de orden reducido recreando experimentos, con el comportamiento reentrante fuera del plano resaltado. ( D ) Parámetros geométricos para simulaciones, donde reentrante distancia d es una función de celosía pitch P . ( E ) Simulación de la relación de Poisson efectiva y resultados experimentales. ( F) Gráfico de contorno en 3D que demuestra el efecto de las condiciones de contorno que dan como resultado una relación de Poisson casi nula en los bordes. Crédito de la foto: Benjamin Jenett, MIT.

Puede hacer, por ejemplo, robots que se doblen en una dirección y estén rígidos en otra dirección y se muevan solo de ciertas formas. Y así, el gran cambio con respecto a nuestro trabajo anterior es esta capacidad de abarcar múltiples propiedades mecánicas de los materiales, que antes ahora se habían considerado de forma aislada «.

Jenett, quien llevó a cabo gran parte de este trabajo como base para su tesis doctoral , dice que “estas piezas son de bajo costo, fáciles de producir y muy rápidas de ensamblar, y se obtiene 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 todas funcionan bien entre sí en el mismo sistema escalable y 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 juntas desaparecen efectivamente cuando se ensamblan las piezas. Se comporta como un material continuo y monolítico «.

Mientras que la investigación en robótica ha tendido a dividirse entre robots duros y blandos, “esto no es ni mucho menos”, dice Gershenfeld, debido a su potencial para mezclar y combinar estas propiedades en un solo dispositivo.

Fig. 6 Metamaterial mecánico quiral.
( A ) Vóxel de celda unitaria característica que demuestra una rotación coordinada fuera del plano en respuesta a la carga de compresión. ( B ) Resultados experimentales y de simulación para secciones transversales de columnas pares e impares en combinación con las reglas de diseño 1 y 2 (R1 y R2). ( C ) Dos tipos de partes quirales permiten evitar la frustración interna, lo que permite una arquitectura quiral escalable. ( D ) Reglas de diseño 1 (izquierda) y 2 (derecha), que surgen de columnas pares e impares, respectivamente. ( E ) Resultados de simulación de modelo de haz de orden reducido y experimental de n = 1, 2 y 3, que muestran un aumento de torsión total a medida que aumenta el ancho del vóxel de columna, pero la torsión normalizada por deformación es menor para n = 2. Crédito de la foto: Benjamin Jenett, MIT.

Una de las posibles aplicaciones tempranas de esta tecnología, dice Jenett, podría ser para construir las palas de las turbinas eólicas. A medida que estas estructuras se vuelven cada vez más grandes, transportar las palas a su sitio de operación se convierte en un problema logístico serio, mientras que si se ensamblan a partir de miles de pequeñas subunidades, ese trabajo se puede hacer en el sitio, eliminando el problema del transporte. Del mismo modo, la eliminación de álabes de turbina usados ​​ya se está convirtiendo en un problema grave debido a su gran tamaño y falta de reciclabilidad. Pero las cuchillas formadas por diminutos voxels se pueden desmontar en el sitio y los voxels luego se pueden reutilizar para hacer otra cosa.

Y, además, las propias palas podrían ser más eficientes, porque podrían tener una combinación de propiedades mecánicas diseñadas en la estructura que les permitiría responder de forma dinámica, pasiva, a los cambios en la fuerza del viento, dice.

En general, dice Jenett, “Ahora tenemos este sistema escalable de bajo costo, por lo que podemos diseñar lo que queramos. Podemos hacer cuadrúpedos, podemos hacer robots nadadores, podemos hacer robots voladores. Esa flexibilidad es uno de los beneficios clave del sistema «.

Lovins de Stanford dice que esta tecnología “podría producir superficies de vuelo aeronáuticas de bajo costo, duraderas y extraordinariamente livianas que optimizan pasiva y continuamente su forma como el ala de un pájaro. También podría hacer que la masa vacía de los automóviles se acerque más a su carga útil, ya que su estructura resistente a los choques se convierte principalmente en aire. Incluso puede permitir proyectiles esféricos cuya resistencia al aplastamiento permite que un globo de vacío (sin helio) flotante en la atmósfera eleve un par de docenas de veces la carga útil neta de un jumbo ”.

Añade: «Al igual que la biomimetismo y el diseño integrador, este nuevo arte de los metamateriales celulares es una nueva herramienta poderosa para ayudarnos a hacer más con menos».

El equipo de investigación incluyó a Filippos Tourlomousis, Alfonso Parra Rubio y Megan Ochalek en el MIT, y Christopher Cameron en el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. El trabajo fue apoyado por la NASA, el Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos y el Centro de Consorcios de Bits y Átomos.