Materiais totimórficos alternam entre infinitas formas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/03/2022

O material pode assumir infinitas formas e manter-se estável.
[Imagem: S. Ganga Prasath]

Material metamórfico

Pesquisadores da Universidade de Harvard, nos EUA, estão desenvolvendo um material que muda de forma com uma versatilidade sem precedentes - e mantém essa forma de modo estável.

Esse tipo de material multifuncional pode ser usado em aplicações que vão da robótica e da arquitetura até a biotecnologia.

"Essas estruturas permitem o controle independente da geometria e da mecânica, estabelecendo as bases para a engenharia de formas funcionais usando um novo tipo de célula unitária morfológica," disse o professor Lakshminarayanan Mahadevan, coordenador do trabalho. "Os materiais e estruturas que mudam de forma de hoje só podem fazer a transição entre algumas configurações estáveis, mas mostramos como criar materiais estruturais que têm uma gama arbitrária de recursos de transformação de forma."

Estavelmente neutro

Um dos maiores desafios no projeto de materiais que mudam de forma - ou metamórficos - é equilibrar as necessidades aparentemente contraditórias de conformabilidade e de rigidez. A conformabilidade permite a transformação para novas formas, mas, se for muito conforme, não poderá manter as formas de modo estável. A rigidez ajuda a fixar o material no lugar, mas, se for muito rígido, não consegue assumir novas formas.

A equipe enfrentou esse dilema entre conformabilidade e rigidez criando uma célula neutramente estável com dois elementos rígidos - uma viga e uma alavanca - e duas molas elásticas extensíveis.

Se você já viu o início de um filme da Pixar, você viu um material neutramente estável: A cabeça da luminária é estável em qualquer posição porque a força da gravidade é sempre neutralizada por molas que se esticam e comprimem de forma coordenada, independentemente da configuração da luminária.

Em geral, em sistemas neutros estáveis uma combinação de elementos rígidos e elásticos equilibra a energia das células que compõem o objeto, tornando cada uma delas neutramente estável, o que significa que elas podem transitar entre um número infinito de posições ou orientações e serem estáveis em qualquer uma delas.

"Tendo uma célula unitária neutramente estável, nós podemos separar a geometria do material de sua resposta mecânica, tanto no nível individual quanto no coletivo", disse o pesquisador Gaurav Chaudhary. "A geometria da célula unitária pode ser variada alterando tanto seu tamanho geral quanto o comprimento da viga móvel, enquanto sua resposta elástica pode ser alterada variando a rigidez das molas dentro da estrutura ou o comprimento das vigas e das conexões."

Estruturas das células neutramente estáveis, que compõem o material totimórfico.
[Imagem: Gaurav Chaudhary et al. - 10.1073/pnas.2107003118]

Material totimórfico

Os pesquisadores batizaram o conjunto de "materiais totimórficos" por causa de sua capacidade de se transformar em qualquer forma estável.

Uma única folha de células totimórficas pode se curvar, torcer em uma hélice, se transformar na forma de duas faces distintas e até mesmo suportar peso.

Os objetos finais podem ser tanto estruturas 2D quanto 3D.

"Nós mostramos que podemos montar esses elementos em estruturas que podem assumir qualquer forma com respostas mecânicas heterogêneas," contou Ganga Prasath, membro da equipe. "Como esses materiais são baseados em geometria, eles podem ser miniaturizados para serem usados como sensores em robótica ou biotecnologia, ou podem ser ampliados para serem usados em escala arquitetônica.

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