Um novo conjunto de componentes modulares permite aos usuários criar dispositivos inteligentes reconfiguráveis com conexões elétricas que continuam funcionando independentemente do formato que a estrutura assuma.

Essa modularidade elétrica permite que engenheiros projetem dispositivos interativos capazes de detectar a forma que assumiram, sem a necessidade de fios externos. Por exemplo, os componentes modulares, que os pesquisadores chamam de "circuitos bifurcados", poderiam ser usados para projetar e prototipar rapidamente dispositivos inteligentes adaptáveis, como móveis assistivos que ajudam pessoas a mudar de posição durante a recuperação de lesões ou garras robóticas reconfiguráveis que permanecem eletricamente conectadas mesmo quando mudam de forma para diferentes aplicações. 

Desenvolvidos por pesquisadores do MIT, esses blocos de construção impressos em 3D, que são um tipo de estrutura conhecida como metamaterial mecânico, podem ser combinados para formar muito mais configurações possíveis do que as estruturas de metamateriais tradicionais. 

Em um estudo que apresenta o novo sistema, os pesquisadores demonstraram diversos objetos interativos, incluindo uma cadeira que se transforma em mesa com espaço para armazenamento e que também pode ser dobrada para guardar. A estrutura detecta sua configuração e envia mensagens correspondentes para um visor eletrônico. 

Esses novos metamateriais também poderiam ser usados para projetar antenas para comunicações e sensores que assumem novos formatos para ajustar suas frequências em condições ambientais variáveis, sem a necessidade de componentes mecânicos volumosos. 

“Os metamateriais podem facilitar a fabricação de conjuntos mecânicos complexos apenas com o uso de unidades repetidas. Nosso trabalho expande esse espaço de design. Se pensarmos nos metamateriais mecânicos como blocos de construção, então nosso trabalho é uma maneira de aproveitar sua geometria para incorporar inteligência intrínseca ao hardware, o que pode abrir muitas possibilidades”, diz Marwa AlAlawi, estudante de pós-graduação em engenharia mecânica e autora principal de um artigo sobre os dispositivos.

AlAlawi é acompanhado no artigo pelos coautores seniores Ticha Sethapakdi, estudante de pós-graduação em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) no MIT; e Stefanie Mueller, professora associada nos departamentos de EECS e Engenharia Mecânica do MIT e líder do Grupo de Interação Humano-Computador no Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL). Os coautores incluem outros pesquisadores do MIT, da Universidade de Tóquio e da Universidade de Michigan. A pesquisa será apresentada no Simpósio da ACM sobre Software e Tecnologia de Interface do Usuário.

Os metamateriais mecânicos são estruturas tridimensionais programáveis, compostas por unidades repetidas, que podem formar figuras complexas devido às suas geometrias. Quando comprimidos, pressionados ou puxados, os metamateriais podem dobrar ou torcer de maneiras precisas. 

Por exemplo, os metamateriais “auxéticos” ficam mais largos quando esticados, em vez de se estreitarem.

Em trabalhos anteriores, os pesquisadores do MIT usaram metamateriais auxéticos para construir  antenas reconfiguráveis que assumiam três formatos diferentes dependendo de como a estrutura era esticada. Isso permitiu que a antena ajustasse dinamicamente sua faixa de frequência sem partes móveis complexas.

Em seguida, a equipe quis expandir o número de configurações de antenas, mas se viu limitada porque os metamateriais auxéticos só podiam formar três estados fixos.

Neste trabalho, eles criaram "circuitos bifurcados", que são metamateriais auxéticos capazes de formar muito mais formas, dependendo de como as unidades modulares são conectadas e rotacionadas. 

As unidades também são projetadas para serem eletricamente modulares. Devido à forma como o material condutor é integrado aos circuitos bifurcados, as conexões elétricas em toda a estrutura são mantidas, independentemente de como o objeto seja girado, pressionado ou torcido para formar novas formas. 

Para criar objetos interativos com muitas configurações possíveis, os circuitos bifurcados aproveitam uma propriedade conhecida como bifurcação mecânica. 

A bifurcação mecânica é uma mudança repentina no comportamento de um mecanismo quando a força aplicada sobre ele ultrapassa um ponto crítico. Por exemplo, ao dobrar suavemente as extremidades de uma régua de plástico, quando essa força atinge um limite crítico, a régua se deforma.

Em circuitos bifurcados, essa bifurcação ocorre quando blocos conectados são rotacionados de certas maneiras em torno de um ponto de pivô. Essa propriedade permite que os blocos conectados formem configurações mais estáveis do que um único bloco conseguiria sozinho.

Adicionar mais circuitos bifurcados a uma estrutura aumenta exponencialmente o número de configurações potenciais.

A conexão e a rotação dos componentes ativam um circuito único entre as unidades adjacentes. Essa interatividade permite que as unidades se comuniquem entre si, possibilitando que a estrutura perceba sua configuração. 

 

Um dos maiores desafios enfrentados pelos pesquisadores foi incorporar um material condutor que fosse flexível o suficiente para dobrar, mas que ainda oferecesse eficiência suficiente no fluxo de eletricidade.

“O material condutor foi uma limitação que tivemos que contornar no processo de projeto, e ele ditou como a detecção entre os blocos aconteceria”, diz AlAlawi.

Após aperfeiçoarem o projeto, os pesquisadores testaram a durabilidade das estruturas reconfiguráveis, comprimindo-as mais de 10.000 vezes. As estruturas não apresentaram nenhuma degradação na conectividade elétrica.

Os pesquisadores também desenvolveram uma ferramenta de construção e simulação fácil de usar para simplificar o processo de projeto de circuitos bifurcados. O software gera instruções para uma impressora 3D multimaterial, que pode fabricar os objetos reconfiguráveis em uma única etapa.

Eles demonstraram a versatilidade dos circuitos bifurcados ao fabricar uma cadeira capaz de detectar sua geometria quando sua forma é alterada para a de uma mesa de chá, bem como um controlador com capacidade de mudança de forma que iniciará um de vários videogames com base em sua configuração.

Os circuitos bifurcados poderão um dia ser usados em aplicações como ferramentas interativas de reabilitação, garras com mudança de forma para robôs flexíveis modulares ou abrigos reconfiguráveis que possam responder às mudanças nas condições ambientais após um desastre natural.

No futuro, os pesquisadores pretendem explorar mais aplicações para circuitos bifurcados. Eles também querem adicionar mais interatividade às estruturas e investigar formatos adicionais de metamateriais.

“Os circuitos bifurcados são um passo em direção ao desenvolvimento de blocos de construção mecânicos com inteligência integrada. Seria interessante expandir esse trabalho e criar blocos de construção que nos permitam construir uma estrutura com qualquer forma ou formato que desejarmos, que sejam estruturalmente estáveis e possam ser acionados”, afirma AlAlawi. 

Este trabalho foi financiado, em parte, pela Agência de Ciência e Tecnologia do Japão e pelo Programa Internacional de Bolsas de Estudo do Príncipe Herdeiro do Bahrein.