Pesquisadores do MIT desenvolveram um novo tipo de método de construção baseado em origami que pode ser usado para construir estruturas complexas mais baratas, fáceis de montar e que utilizam menos material do que as construídas com algumas técnicas convencionais.

Este sistema escalável simplifica o processo de projeto de estruturas leves e rígidas a partir de componentes modulares que podem ser fabricados a partir de folhas planas de material e, em seguida, dobrados para adquirir a forma desejada. 

As unidades são conectadas para construir uma estrutura de treliça maior usando ferramentas simples e um processo de montagem à prova de erros. Elas formam uma estrutura de suporte de carga forte que não precisa de colunas de sustentação internas.

Este método pode ser particularmente adequado para abrigos de emergência que podem ser fabricados e transportados rapidamente como painéis planos, sendo posteriormente montados com agilidade por trabalhadores no local de um terremoto ou inundação. Também pode ser utilizado para desenvolver componentes resistentes e leves para aviões ou robôs modulares, ou elementos arquitetônicos como painéis de isolamento acústico e fachadas de edifícios.

A técnica dos pesquisadores consegue gerar estruturas muitas vezes mais rígidas do que as feitas com outras formas de origami estrutural, exigindo apenas cerca de dois terços da quantidade de material. Isso poderia torná-la uma forma de construção mais sustentável.

Além de desenvolver pequenos protótipos, os pesquisadores demonstraram a escalabilidade dessa abordagem fabricando uma escultura de alumínio dobrado do tamanho de uma sala, que foi recentemente instalada na Biblioteca Pública de Boston como parte da exposição inaugural da Conferência e Simpósio anual do Fab Lab .

“Este trabalho demonstra que o poder da manufatura digital pode ir além de projetos de fabricação pessoais e começar a impactar o mundo real, aprimorando a maneira como projetamos casas e grandes estruturas. Estamos demonstrando origami estrutural em escala de construção”, afirma Alfonso Parra Rubio, estudante de pós-graduação no Centro de Bits e Átomos (CBA) do MIT e autor principal de um artigo sobre esse método.

Ele é acompanhado no artigo por Riccardo Foschi, pesquisador da Universidade de Bolonha, na Itália; Rupert Maleczek, cientista sênior da Universidade de Innsbruck, na Áustria; Tomohiro Tachi, professor da Universidade de Tóquio; e o autor sênior Neil Gershenfeld, professor do MIT e diretor do CBA. A pesquisa foi publicada no International Journal of Solids and Structures .

Os pesquisadores se inspiraram nas tesselações dobradas desenvolvidas pelo artista e cientista Ron Resch na década de 1960. Resch empregou padrões repetidos de células unitárias poligonais para criar estruturas 3D complexas (como um favo de mel). 

Mas, em vez de criar uma forma a partir de um único pedaço de material dobrado, como nas tesselações de Resch, os pesquisadores fabricam células unitárias que são dobradas individualmente e conectadas para formar a estrutura 3D.

Ao projetar blocos de construção individuais, eles podem simplificar o processo de fabricação e criar formas mais complexas.

Enquanto trabalhava no laboratório de Tachi, Parra Rubio desenvolveu um método para combinar duas células unitárias em forma de tripé de uma tesselação de Resch em um bloco de construção que tem zero graus de liberdade, o que significa que é completamente rígido e fixo no lugar. 

Esses blocos de construção rígidos podem ser conectados em uma rede de vigas entrelaçadas que formam uma estrutura 3D com rigidez e estabilidade extremamente altas, porém muito leve.

“Isso nos ajuda a construir estruturas fortes, minimizando a quantidade de material que utilizamos”, explica Parra Rubio.

Mas seria extremamente desafiador projetar manualmente blocos de construção poligonais que formem uma estrutura que atenda às restrições do usuário.

Para simplificar o processo, Parra Rubio uniu forças com o estudante de pós-graduação da CBA, Erik Strand, para desenvolver um solucionador automatizado que projeta uma série de células unitárias fabricáveis ??que formarão a estrutura desejada pelo usuário. Esses arquivos de projeto podem ser inseridos em uma fresadora CNC que corta automaticamente os blocos de construção a partir de chapas planas de material, como alumínio. 

“Na parte computacional, dividimos esse grande problema em muitos subproblemas menores. Agora, resolvemos cada célula independentemente para garantir que ela seja dobrável e, em seguida, as montamos globalmente”, diz Strand.

Os construtores dobram as unidades individuais para dar forma e as montam em uma estrutura final usando apenas ferramentas manuais, como chaves de fenda. 

O processo de montagem não requer equipamentos de soldagem de grande porte, o que pode torná-lo mais simples, rápido e barato do que outras formas de construção. Além disso, as células unitárias são projetadas para se ajustarem naturalmente à sua forma correta durante a montagem da estrutura. 

Simulações indicaram que esse método produz estruturas cerca de 3,5 vezes mais rígidas do que as feitas com outras técnicas baseadas em origami, utilizando menos material. Além disso, as estruturas resultantes podem ser suficientemente resistentes para algumas aplicações arquitetônicas, acrescenta Parra Rubio. 

Para demonstrar a versatilidade dessa abordagem, os pesquisadores montaram uma escultura de 7 metros de altura com peças de alumínio dobrado, que foi pendurada no teto do átrio da Biblioteca Pública de Boston. Uma equipe sem experiência profissional em construção ergueu toda a estrutura em questão de dias, afirma Parra Rubio.

“Foi muito divertido trabalhar em algo num ritmo tão acelerado, onde a teoria encontrava uma aplicação prática. Tivemos que pensar muito em como poderíamos ajustar o projeto para atingir cada objetivo”, diz Strand.

No futuro, os pesquisadores pretendem testar essa abordagem em estruturas arquitetônicas maiores. Eles também querem explorar o uso de células unitárias com geometrias mais complexas, que poderiam oferecer maior resistência ou rigidez, e desenvolver uma interface de design amigável ao usuário. 

“Este trabalho demonstra que a dobragem de metal é um método pronto para ser usado na construção de estruturas. Agora que podemos levar essa técnica do laboratório para o canteiro de obras, conseguimos produzi-la em grande escala e com resistência suficiente”, afirma Gershenfeld.

“No setor de arquitetura, engenharia e construção, estruturas complexas são frequentemente entregues por meio de uma sequência fragmentada de transferências entre as equipes de projeto, engenharia, fabricação e construção, com cada transição criando oportunidades para falta de coordenação, retrabalho e perda da intenção original do projeto. Ao incorporar informações geométricas, de desempenho estrutural e de montagem diretamente em cada módulo, a abordagem da Rubio mantém um fluxo digital contínuo desde o projeto até a montagem, permitindo uma personalização sem precedentes e garantindo uma execução precisa”, afirma James Coleman, SM '14, MArch '14, cofundador da SumPoint , uma empresa especializada em instalação de projetos. 

Coleman, ex-vice-presidente de P&D da A. Zahner Company, não esteve envolvido nesta pesquisa. Seus trabalhos recentes no projeto, fabricação e montagem de projetos arquitetônicos complexos incluem o Museu Lucas de Arte Narrativa, a Capela dos Cadetes da Academia da Força Aérea, a sede do Google e o Estádio SoFi.

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Consórcio de Pesquisa do Centro de Bits e Átomos, pela Universidade de Bolonha, na Itália, e pela Agência Austríaca de Pesquisa.