Tecnologia Científica

Blocos de construção versáteis fazem estruturas com propriedades mecânicas surpreendentes
As subunidades podem ser montadas roboticamente para produzir objetos grandes e complexos, incluindo carros, robôs ou pás de turbinas eólicas.
Por David L. Chandler - 20/11/2020


Os pesquisadores do CBA criaram quatro tipos diferentes de novas subunidades, chamadas voxels (uma variação 3D dos pixels de uma imagem 2D). Da esquerda para a direita: rígido (cinza), compatível (roxo), auxético (laranja), quiral (azul). ” Créditos:Imagem: Benjamin Jenett, CBA

Pesquisadores do Centro de Bits e Átomos do MIT criaram blocos de construção minúsculos que exibem uma variedade de propriedades mecânicas exclusivas, como a capacidade de produzir um movimento de torção quando pressionados. Essas subunidades poderiam ser montadas por pequenos robôs em uma variedade quase ilimitada de objetos com funcionalidade embutida, incluindo veículos, grandes peças industriais ou robôs especializados que podem ser remontados repetidamente em diferentes formas.

Os pesquisadores criaram quatro tipos diferentes dessas subunidades, chamados voxels (uma variação 3D dos pixels de uma imagem 2D). Cada tipo de voxel exibe propriedades especiais não encontradas em materiais naturais típicos e, em combinação, podem ser usados ​​para fazer dispositivos que respondem a estímulos ambientais de maneiras previsíveis. Os exemplos podem incluir asas de avião ou pás de turbinas que respondem a mudanças na pressão do ar ou na velocidade do vento alterando sua forma geral.

As descobertas, que detalham a criação de uma família de “metamateriais mecânicos” discretos, são descritas em um artigo publicado hoje na revista Science Advances , de autoria do recente doutorando do MIT Benjamin Jenett PhD '20, Professor Neil Gershenfeld e quatro outros.

“Esta síntese notável, fundamental e bela promete revolucionar o custo, a adaptabilidade e a eficiência funcional de estruturas ultraleves com materiais frugais”, diz Amory Lovins, professor adjunto de engenharia civil e ambiental na Universidade de Stanford e fundador do Rocky Mountain Institute , que não estava associado a este trabalho.

Os metamateriais têm esse nome porque suas propriedades em grande escala são diferentes das propriedades de micronível de seus materiais componentes. Eles são usados ​​em eletromagnetismo e como materiais “arquitetados”, que são projetados no nível de sua microestrutura. “Mas não foi feito muito na criação de propriedades mecânicas macroscópicas como um metamaterial”, diz Gershenfeld.

Com esta abordagem, os engenheiros devem ser capazes de construir estruturas que incorporem uma ampla gama de propriedades de materiais - e produzi-los todos usando os mesmos processos de produção e montagem compartilhados, diz Gershenfeld.

Os voxels são montados a partir de peças planas de polímeros moldados por injeção e, em seguida, combinados em formas tridimensionais que podem ser unidas em estruturas funcionais maiores. Eles são principalmente espaços abertos e, portanto, fornecem uma estrutura extremamente leve, mas rígida quando montados. Além da unidade básica rígida, que oferece uma combinação excepcional de resistência e leveza, existem três outras variações desses voxels, cada uma com uma propriedade incomum diferente.

Os voxels “auxéticos” têm uma propriedade estranha em que um cubo do material, quando comprimido, em vez de protuberante para os lados, na verdade salta para dentro. Esta é a primeira demonstração de tal material produzido por meio de métodos de fabricação convencionais e baratos.

Existem também voxels “complacentes”, com coeficiente de Poisson zero, que é um pouco semelhante à propriedade auxética, mas neste caso, quando o material é comprimido, os lados não mudam de forma. Poucos materiais conhecidos exibem essa propriedade, que agora pode ser produzida por meio dessa nova abordagem.

Finalmente, os voxels “quirais” respondem à compressão axial ou alongamento com um movimento de torção. Novamente, esta é uma propriedade incomum; a pesquisa que produziu um desses materiais por meio de técnicas de fabricação complexas foi saudada no ano passado como uma descoberta significativa. Este trabalho torna esta propriedade facilmente acessível em escalas macroscópicas.

“Cada tipo de propriedade de material que mostramos anteriormente era seu próprio campo”, diz Gershenfeld. “As pessoas escreveriam artigos sobre apenas uma propriedade. Esta é a primeira coisa que mostra todos eles em um único sistema. ”

Para demonstrar o potencial do mundo real de grandes objetos construídos de maneira semelhante a LEGO a partir desses voxels produzidos em massa, a equipe, trabalhando em colaboração com engenheiros da Toyota, produziu um carro de corrida funcional de supermilhagem, que foi demonstrado em um receba acompanhamento durante uma conferência internacional de robótica no início deste ano.

Eles conseguiram montar a estrutura leve e de alto desempenho em apenas um mês, diz Jenett, ao passo que construir uma estrutura comparável usando métodos convencionais de construção de fibra de vidro levava um ano.

Durante a corrida, a pista estava escorregadia por causa da chuva e o carro de corrida acabou colidindo com uma barreira. Para a surpresa de todos os envolvidos, a estrutura interna em forma de treliça do carro deformou-se e depois saltou para trás, absorvendo o choque com poucos danos. Um carro de construção convencional, diz Jenett, provavelmente teria sido seriamente amassado se fosse feito de metal ou estilhaçado se fosse composto.

O carro forneceu uma demonstração vívida do fato de que essas peças minúsculas podem de fato ser usadas para fazer dispositivos funcionais em escala de tamanho humano. E, Gershenfeld aponta, na estrutura do carro, “essas não são peças conectadas a outra coisa. A coisa toda é feita apenas dessas peças ”, exceto os motores e a fonte de alimentação.

Como os voxels são uniformes em tamanho e composição, eles podem ser combinados de qualquer maneira necessária para fornecer funções diferentes para o dispositivo resultante. “Podemos abranger uma ampla gama de propriedades de materiais que antes eram consideradas muito especializadas”, diz Gershenfeld. “A questão é que você não precisa escolher uma propriedade. Você pode fazer, por exemplo, robôs que se dobram em uma direção e são rígidos em outra direção e se movem apenas de determinadas maneiras. E assim, a grande mudança em relação ao nosso trabalho anterior é a capacidade de abranger várias propriedades mecânicas de materiais, que antes eram consideradas isoladamente. ”

Jenett, que realizou grande parte desse trabalho como base para sua tese de doutorado , afirma que “essas peças são de baixo custo, de fácil produção e muito rápidas de montar, e você obtém essa gama de propriedades em um único sistema. Eles são todos compatíveis uns com os outros, então existem todos esses tipos diferentes de propriedades exóticas, mas todos eles funcionam bem uns com os outros no mesmo sistema escalonável e barato. ”

“Pense em todas as peças rígidas e móveis em carros, robôs, barcos e aviões”, diz Gershenfeld. “E podemos abranger tudo isso com este único sistema.”

Um fator chave é que uma estrutura composta por um tipo desses voxels se comportará exatamente da mesma maneira que a própria subunidade, diz Jenett. “Pudemos demonstrar que as juntas desaparecem efetivamente quando você monta as peças. Ele se comporta como um continuum, material monolítico. ”

Enquanto a pesquisa em robótica tende a ser dividida entre robôs rígidos e leves, “isso não é nenhum dos dois”, diz Gershenfeld, devido ao seu potencial de misturar e combinar essas propriedades em um único dispositivo.

Uma das possíveis aplicações iniciais dessa tecnologia, diz Jenett, poderia ser para a construção de pás de turbinas eólicas. À medida que essas estruturas se tornam cada vez maiores, o transporte das lâminas até o local de operação se torna um sério problema logístico, ao passo que, se forem montadas a partir de milhares de minúsculas subunidades, esse trabalho pode ser feito no local, eliminando o problema de transporte. Da mesma forma, o descarte de pás de turbinas usadas já está se tornando um sério problema devido ao seu grande tamanho e à falta de reciclabilidade. Mas lâminas feitas de minúsculos voxels podem ser desmontadas no local e os voxels reutilizados para fazer outra coisa.

E, além disso, as próprias pás poderiam ser mais eficientes, porque poderiam ter uma mistura de propriedades mecânicas projetadas na estrutura que lhes permitiria responder de forma dinâmica e passiva às mudanças na força do vento, diz ele.

No geral, Jenett diz: “Agora temos este sistema escalonável de baixo custo, para que possamos projetar o que quisermos. Podemos fazer quadrúpedes, podemos fazer robôs nadadores, podemos fazer robôs voadores. Essa flexibilidade é um dos principais benefícios do sistema. ”

Lovins, de Stanford, diz que essa tecnologia “poderia fazer superfícies de vôo aeronáuticas baratas, duráveis ​​e extraordinariamente leves que otimizassem passiva e continuamente sua forma como a asa de um pássaro. Também poderia fazer com que a massa vazia dos automóveis se aproximasse mais de sua carga útil, já que sua estrutura à prova de choque torna-se principalmente aérea. Pode até permitir conchas esféricas cuja força de esmagamento permite que um balão a vácuo (sem hélio) flutuante na atmosfera levante algumas dúzias de vezes a carga útil líquida de um jumbo. ”

Ele acrescenta: “Como a biomimética e o design integrador, esta nova arte de metamateriais celulares é uma nova ferramenta poderosa para nos ajudar a fazer mais com menos.”

A equipe de pesquisa incluiu Filippos Tourlomousis, Alfonso Parra Rubio e Megan Ochalek no MIT, e Christopher Cameron no Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA. O trabalho foi apoiado pela NASA, o Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e o Center for Bits and Atoms Consortia.

 

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