Inspirado por un juguete, el “buckliball” – una estructura colapsable fabricada de una sola pieza de material – representa una nueva clase de estructura tridimensional similar al origami.
Denise Brehm, Civil and Environmental Engineering. Original (en inglés).
Motivados por el deseo de determinar la estructura tridimensional más simple que pudiera tomar ventaja de la inestabilidad mecánica para colapsarse reversiblemente, un grupo de ingenieros del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y de la Universidad de Harvard estuvieron frustrados – hasta que uno de ellos encontró un juguete colapsable y esférico que se asemejaba a las estructuras que habían estado explorando, pero con un diseño complejo de 26 elementos sólidos movibles y 48 bisagras rotatorias.
El juguete inspiró a los ingenieros a crear un objeto hueco esférico hecho de caucho suave que no contenía ninguna parte móvil, pero vestido con 24 cavidades cuidadosamente espaciadas. Cuando el aire se extrae de la buckliball con una jeringa, los delgados ligamentos que forman columnas entre las cavidades laterales colapsan. Este es el equivalente en ingeniería de aplicar una carga similar en todas las vigas de una estructura simultáneamente para inducir el pandeo, un fenómeno que fue estudiado por primera vez por el matemático Leonhard Euler en 1757.
Cuando los delgados ligamentos de la buckliball se pandean, los ligamentos más gruesos que forman filas entre las cavidades pasan por una serie de movimientos a los que los investigadores se refieren como “cascada cooperativa de pandeo”. Algunos de los ligamentos más gruesos rotan en el sentido del reloj, otros en sentido contrario – pero todos se mueven de manera simultanea y armoniosa, volviendo las cavidades originales y circulares en elipses verticales y horizontales en patrones que se alternan antes de cerrarse completamente. Como resultado, la buckliball se transforma en un rombicuboctaedro de alrededor de la mitad del tamaño (46 por ciento) de la esfera original.
Los investigadores nombraron su nueva estructura por su uso del pandeo (buckling en inglés) y su parecido a las buckybolas, moléculas esféricas de carbono puro cuyo nombre fue inspirado por los domos geodésicos creados por el arquitecto e inventor Buckminster Fuller. La buckliball es la primer estructura transformable que incorpora el pandeo como un elemento deseable de la ingeniería del diseño. El proceso de pandeo induce el doblado de la esfera en porciones – similar a la manera en que el papel se dobla en el origami – así los investigadores colocan su buckliball en un marco más grande de trabajo de origami inducido por pandeo al que ellos llaman “buckligami.”
Por que su colapso es completamente reversible y puede ser alcanzado sin partes móviles, las estructuras transformables como la de la buckliball tienen el potencial para amplias aplicaciones, desde la micro hasta la macroescala. Podrían ser usadas para crear edificios más grandes con techos o muros colapsables, pequeñas cápsulas de entrega de drogas o articulaciones suaves móviles que no requieran piezas mecánicas. También tienen el potencial de transformar Transformers y otros tipos de juguetes. (El juguete que les provocó a los investigadores su epifanía es el Twist-O).
Los investigadores – Jongmin Shim, un posdoctorado en Harvard; Claude Perdigo, estudiante visitante en el MIT; Elizabeth Chen, un reciente graduado de la Universidad de Michigan quien se unirá a Harvard para un posdoctorado en el otoño; Katia Bertoldi, una profesora asistente de Ingeniería Civil y Ambiental, Pedro Reis, Esther y Harold E. Edgerton profesor Adjunto de Ingeniería Civil y Ambiental y de Ingeniería mecánica en el MIT – escribieron una revista académica sobre su trabajo que aparece esta semana en el Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
“En ingeniería civil, el pando es asociado comúnmente con una falla que debe ser evitada. Por ejemplo, uno típicamente quiere calcular el criterio de pandeo para columnas y aplicar un factor adicional de seguridad, para asegurarse de que el edificio se sostenga”, dice Reis. “Estamos tratando de cambiar este paradigma al convertir la falla en funcionalidad en estructuras mecánicas suaves. Para nosotros, la buckliball es el primero de dichos objetos, pero habrá muchos otros”. Por ejemplo, un brazo robótico podría ser construido de una sola pieza de material usando un patrón de cavidades diseñada precisamente en los puntos donde se quiere que se doble, que cuando se activa por una señal de presión se doble.
“La buckliball no solo abre caminos para el diseño de estructuras doblables en un gran rango de escalas de longitud, también podría ser usada como un bloque de construcción para crear nuevos materiales con propiedades inusuales, capaz de contracciones dramáticas en todas las direcciones”, dice Bertoldi.
La investigación de Reis utiliza pruebas de laboratorio precisas y análisis matemáticos para determinar la física básica detrás del comportamiento mecánico de materiales. El grupo de investigación de Bertoldi usa herramientas de mecánica computacional para descifrar la mecánica de estructuras suaves. Los dos equipos colaboraron en la buckliball: El equipo de Reis realizó los experimentos de laboratorio con la ayuda de técnicas de fabricación digital (como una impresora tridimensional) para crear objetos con geometría precisa, y el grupo de Bertoldi usó computación para analizar más profundamente las mecánicas detalladas del proceso.
Chen, quien estaba visitando Harvard en el momento, determinó que solo cinco estructuras esféricas geométricas tienen el potencial para el colapso reversible inducido por pandeo. (El ejemplo específico del rombicuboctaedro de 12 agujeros de Fuller que se colapsa en un cuboctaedro es una de estas cinco). Los parámetros de diseño para las buckliballs incluyen el tamaño de la cavidad, lo grueso del delgado caparazón dentro de la cavidad y la rigidez del material usado para fabricar la buckliball.
La naturaleza, según parece, ya había resuelto esto. Los virus inyectan sus ácidos nucleicos dentro de un anfitrión a través de una transformación estructural reversible en la que 60 agujeros se abren o se cierran basados en cambios en la acidez del entorno de la célula, un mecanismo diferente que logra un colapso reversible similar a una nanoescala.
“Lo que es emocionante sobre este trabajo es que usa inestabilidades para básicamente amplificar presiones pequeñas o moderadas en movimientos dramáticos”, dice Carmel Majidi, una profesora asistente de Ingeniería Mecánica en la Universidad Carnegie Mellon cuya investigación en robótica suave se enfoca en materiales estirables similares a la piel que contienen sensores. “Una limitación de trabajar robótica de materiales suaves es que son suaves; no pueden producir las altas presiones que obtienes con máquinas pesadas, así que lo que queda son máquinas que proveen solo presiones moderadas. Esto hace difícil el alcanzar deformaciones dramáticas. Si unes una piel robótica como un dispositivo médico asistente en un humano, puede monitorear el movimiento. Pero con avances como la buckliball, la piel podría incluso ser capaz de cambiar activamente su forma y ayudar directamente con las tareas motoras.
El trabajo fue patrocinado a través de una beca de la Fundación Nacional de Ciencia al Centro de Ciencia de Investigación de Materiales e Ingeniería de Harvard y por fondos de la Universidad de Harvard y el MIT.
Reimpreso con permiso de MIT News.
http://web.mit.edu/ (en inglés)
