Tecnologia Científica
Estruturas de origami se desdobram em superfícies contínuas para aplicações implantáveis
Um estudo publicado na Nature Communications apresenta uma maneira de criar estruturas implantáveis que se transformam de estados dobrados compactos em configurações expansivas com superfícies perfeitamente lisas.
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Tejasri Gururaj - 30/05/2025
Estruturas de origami de painel espesso mostrando a implantação de estados dobrados para expandidos. Crédito: Peng et al./Nature Communications . DOI: 10.1038/s41467-025-59141-2.
Um estudo publicado na Nature Communications apresenta uma maneira de criar estruturas implantáveis que se transformam de estados dobrados compactos em configurações expansivas com superfícies perfeitamente lisas.
Sistemas de engenharia que utilizam mecanismos de dobradura inspirados em origami se tornaram um ponto focal no desenvolvimento de designs compactos e funcionais para aplicações aeroespaciais, de emergência e médicas .
Aplicar origami em cenários práticos torna-se altamente complexo e desafiador quando materiais espessos são necessários para garantir a precisão do movimento e a robustez estrutural. Ao dobrar materiais espessos, o acúmulo de espessura causa interferência estrutural, dificultando a dobra ou a implantação.
No entanto, os designs convencionais de origami com painéis grossos apresentam uma falha crítica. Nas dobras em vale, a superfície é interrompida por ranhuras e lacunas, o que impede seu uso em cenários que exigem uma superfície contínua e ininterrupta.
A pesquisa, liderada por Rui Peng, da Universidade Nacional de Cingapura, e Gregory S. Chirikjian, da Universidade de Delaware, aborda esse desafio de longa data.
"Os métodos existentes frequentemente introduzem complexidades estruturais ou não garantem superfícies sem emendas, o que limita significativamente sua aplicabilidade prática", explica o Prof. Chirikjian. "Nossa motivação é expandir o escopo de aplicação das técnicas de origami espesso, abordando essas limitações."
Eliminar e não adicionar
Os pesquisadores desenvolveram um método inovador que parece desafiar a lógica convencional da engenharia. Em vez de adicionar elementos, eles removem painéis específicos por completo.
Uma pequena região da estrutura geral consiste em três painéis conectados por dois vincos de vale ou dobras côncavas. Os pesquisadores resolveram a lacuna na estrutura implantada removendo o painel do meio e estendendo os painéis em ambos os lados.
A abordagem funciona porque a estrutura do origami é inerentemente superlimitada. Os pesquisadores alcançaram um design mais simples removendo certos painéis, preservando a funcionalidade da estrutura.
O sucesso está em satisfazer restrições geométricas específicas, que têm duas etapas principais para garantir a compatibilidade do movimento.
"Primeiramente, a estrutura é baseada em um tubo rígido de origami que deve satisfazer certas condições geométricas simétricas. Em segundo lugar, após a remoção seletiva de alguns painéis e a extensão dos adjacentes, o comprimento da extensão deve atender a uma restrição geométrica específica relacionada à espessura do painel", disse o Prof. Chirikjian.
O uso de uma abordagem matemática rigorosa garante que as estruturas continuem a se dobrar conforme o esperado, mesmo quando as lacunas superficiais são eliminadas.
Versatilidade e escalabilidade
Os pesquisadores comprovaram a versatilidade de sua estratégia de projeto aplicando-a à construção de estruturas implantáveis com geometrias variadas. Isso indica que as estruturas são adequadas para uma variedade de aplicações em diversas escalas.
Para aplicações arquitetônicas de larga escala, essas estruturas podem permitir domos de estádio implantáveis, sistemas de cobertura estanques e telescópios espaciais.
No nível do consumidor, pode ser usado em componentes de carros conversíveis. Em escalas mínimas, essas estruturas podem ser valiosas em sistemas robóticos leves projetados para aplicações cirúrgicas.
Como explicou o Prof. Chirikjian: "Propusemos uma metodologia geral para estruturas implantáveis que não se limita a nenhuma aplicação específica. Essa abordagem é altamente versátil e pode ser adaptada a uma ampla gama de casos de uso."
Os pesquisadores também desenvolveram métodos para minimizar o número de painéis superiores (amarelos), simplificando a fabricação e mantendo a funcionalidade. Isso oferece aos engenheiros a flexibilidade de personalizar as estruturas de acordo com os requisitos.
Olhando para o futuro
Ao fabricar protótipos impressos em 3D, os pesquisadores verificaram que seus projetos se dobram eficientemente e se expandem em superfícies sem emendas.
As superfícies amarelas na parte superior são completamente contínuas quando implantadas, enquanto os painéis azuis abaixo atuam como uma estrutura de suporte.
"Essas estruturas não possuem requisitos rigorosos de materiais, permitindo uma ampla gama de opções. No entanto, as técnicas de fabricação e montagem desempenham um papel crítico na determinação do desempenho estrutural, principalmente devido ao grande número de juntas interconectadas envolvidas", explicou o Prof. Chirikjian.
A pesquisa representa um passo crucial da engenharia na criação de superfícies suaves e ininterruptas que oferecem aos engenheiros uma solução prática para uma ampla gama de aplicações.
Mais informações: Rui Peng et al., Estruturas de origami de painel espesso formando superfícies sem emendas, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-59141-2
Informações do periódico: Nature Communications
