Cientistas do MIT criaram um material que muda de forma que se transforma em um rosto humano

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Prolongar / Uma estrutura de treliça, originalmente impressa em forma plana, se transformou no contorno de um rosto humano após alterar a temperatura circundante. A forma facial é baseada na semelhança de Carl Friedrich Gauss.

Lori K. Sanders

A próxima grande novidade na impressão 3D pode ser chamada de "Materiais 4D"que empregam as mesmas técnicas de fabricação, mas são projetadas para se deformarem com o tempo em resposta a mudanças no ambiente, como umidade e temperatura. Também são conhecidas como sistemas ativos de origami ou de transformação de formas. Os cientistas do MIT criaram com sucesso estruturas planas que podem se transformar em estruturas muito mais complicadas do que as alcançadas anteriormente, incluindo um rosto humano. publicaram seus resultados no outono passado, na Proceedings da Academia Nacional de Ciências.

Pesquisadores anteriores tinham conseguido formas de fazer com que esses materiais se transformassem em estruturas simples. O engenheiro mecânico do MIT, Wim van Rees, co-autor do artigo da PNAS, desenvolveu um método teórico para transformar uma folha plana e fina em formas mais complexas, como esferas, cúpulas ou um rosto humano. "Meu objetivo era começar com uma forma 3D complexa que queremos alcançar, como um rosto humano, e depois perguntar: 'Como programamos um material para que ele chegue lá?'" ele disse. "Esse é um problema de design inverso."

Mas suas simulações originais eram para uma folha de material idealizada, sem limites de quanto ela poderia expandir ou contrair, e a maioria dos materiais do mundo real tem limites. É um problema de "dupla curvatura", descrito pela primeira vez por matemático do século 19 Carl Friedrich Gauss.

Gauss propôs o seu "Therema Egregium"(teorema notável) em 1828, que sustenta que é possível determinar a curvatura de uma superfície apenas medindo seus ângulos e distâncias. Isso significa que a curvatura da superfície não muda quando você a dobra – por exemplo, dobrando uma fatia de pizza deliciosa para comê-la com o mínimo de confusão, pois a dobra torna a fatia mais rígida na direção perpendicular à dobra. É também o segredo por trás da força das caixas de papelão ondulado, bem como das batatas fritas da marca Pringle, e por que os cientistas conseguiram descobrir que o universo é plano.

Um conjunto de estruturas de treliça que se transformaram em tampas esféricas ou em formas de cúpula após a aplicação de uma diferença de temperatura. "Src =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2020/01/shapeshift1 -640x427.jpg "width =" 640 "height =" 427 "srcset =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2020/01/shapeshift1.jpg 2x
Prolongar / Um conjunto de estruturas de treliça que se transformou em tampas esféricas, ou em formas de cúpula, após a aplicação de uma diferença de temperatura.

J. William Boley

Mas há uma ressalva: a superfície não pode se esticar, encolher ou rasgar, o que representa um problema quando você está tentando transformar uma folha plana em formas complexas com uma curvatura gaussiana diferente. Van Rees comparou o desafio que enfrentou ao tentar embrulhar uma bola de futebol para presente. O papel tem curvatura Gaussiana nula, enquanto a bola possui curvatura dupla. Portanto, para embrulhar a bola de futebol, você deve vincar e amassar o papel nas laterais e na parte inferior; o jornal teria que esticar ou contrair nos lugares certos.

Para resolver esse problema, van Rees e seus colegas decidiram usar uma estrutura de treliça semelhante a uma malha em vez da folha contínua modelada nas simulações iniciais. Eles fizeram a treliça com um material de borracha que se expande quando a temperatura aumenta. As lacunas na estrutura facilitam a adaptação do material a mudanças especialmente grandes em sua área de superfície. A equipe do MIT usou uma imagem de Gauss para criar um mapa virtual de quanto a superfície plana precisaria dobrar para se reconfigurar em uma face. Em seguida, eles criaram um algoritmo para traduzir isso no padrão correto de costelas na treliça.

Eles projetaram as costelas para crescer em taxas diferentes na folha de malha, cada uma capaz de dobrar o suficiente para assumir a forma de um nariz ou uma órbita ocular. A treliça impressa foi curada em um forno quente e depois resfriada à temperatura ambiente em um banho de água salgada. E pronto! Ele se transformou em um rosto humano. A equipe também criou uma estrutura contendo metal líquido condutor que se transformou em uma antena ativa, com uma frequência de ressonância que muda à medida que se deforma.

Esses tipos de materiais que mudam de forma podem um dia ser usados ​​para fabricar tendas que podem se desdobrar e inflar por conta própria, apenas alterando a temperatura (ou outras condições ambientais). Outros usos potenciais incluem lentes telescópicas deformáveis, stents, andaimes para tecidos artificiais e robótica macia.

"Gostaria de ver isso incorporado em, por exemplo, uma água-viva robótica que muda de forma para nadar quando a colocamos na água" disse van Rees. "Se você pudesse usar isso como um atuador, como um músculo artificial, o atuador poderia ter qualquer forma arbitrária que se transformasse em outra forma arbitrária. Então você está entrando em um espaço de design totalmente novo em robótica suave".

DOI: PNAS, 2019. 10.1073 / pnas.1908806116 (Sobre os DOIs)

Fonte: Ars Technica