Inspirados nos ossos e outros sólidos celulares da natureza, os humanos usaram o mesmo conceito para desenvolver materiais de construção. Ao alterar a geometria das células que compõem estes materiais, os investigadores podem adaptar as propriedades mecânicas, térmicas ou acústicas do material. Os materiais de construção são usados ​​em uma ampla gama de aplicações, desde espuma de embalagem com absorção de choque até radiadores reguladores de calor.

Usando o Kirigami, a arte japonesa do kirigami e do origami, os pesquisadores do MIT desenvolveram materiais ultrafortes e leves com propriedades mecânicas ajustáveis, como rigidez e flexibilidade. Esses materiais podem ser usados ​​em aeronaves, carros ou naves espaciais. Fonte da imagem: Fornecida por pesquisadores


Os pesquisadores do MIT modificaram um padrão comum de vinco de origami para que as pontas afiadas da estrutura ondulada se tornassem facetas. Essas facetas, como as facetas de um diamante, fornecem uma superfície plana na qual a placa pode ser fixada mais facilmente com parafusos ou rebites. Fonte da imagem: Fornecida por pesquisadores


Os pesquisadores do MIT usaram o Kirigami, a antiga arte japonesa de origami e kirigami, para criar um material estrutural de alto desempenho chamado treliça em uma escala muito além do que os cientistas conseguiram anteriormente por meio da fabricação aditiva. Esta tecnologia permite-lhes criar estas estruturas em metal ou outros materiais com formas personalizadas e propriedades mecânicas especialmente adaptadas.

"Este material é como a cortiça de aço. É mais leve que a cortiça, mas tem alta resistência e alta rigidez", disse o professor Neil Gershenfeld, diretor do Centro de Bits e Átomos (CBA) do MIT e autor sênior de um novo artigo sobre esta abordagem.

Os pesquisadores desenvolveram um processo de fabricação modular no qual muitas peças menores são formadas, dobradas e montadas em formas tridimensionais. Usando essa abordagem, eles criam estruturas e robôs ultraleves e ultrafortes que podem deformar e manter sua forma sob cargas específicas.


Os pesquisadores acionaram a estrutura corrugada tensionando fios de aço em superfícies compatíveis e depois conectando-os a um sistema de polias e motores, permitindo que dobrassem em qualquer direção. Fonte da imagem: Fornecida por pesquisadores

Como essas estruturas são leves, fortes, rígidas e relativamente fáceis de produzir em massa, elas são particularmente úteis em componentes de construção, aeronaves, automotivos ou aeroespaciais.

Também escrevendo o artigo com Gershenfeld estão os co-autores, o assistente de pesquisa do CBA Alfonso Parra Rubio e a estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação do MIT Klara Mundilova, bem como o estudante de graduação do CBA David Preiss e o professor de ciência da computação do MIT Erik D. Demaine. Os resultados da pesquisa foram apresentados na Conferência da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos, Engenharia de Computadores e Informações.

Materiais estruturais como treliça são frequentemente usados ​​como núcleo de um material compósito conhecido como estrutura sanduíche. Para visualizar uma estrutura sanduíche, imagine uma asa de avião, onde uma série de vigas diagonais que se cruzam formam um núcleo treliçado imprensado entre os painéis superior e inferior. Esta estrutura de treliça tem alta rigidez e resistência, mas é muito leve.

Uma treliça de painel é uma estrutura em favo de mel composta por interseções tridimensionais de placas em vez de vigas. A resistência e a rigidez dessas estruturas de alto desempenho excedem até mesmo as das treliças, mas devido às suas formas complexas, fabricá-las usando técnicas comuns, como a impressão 3D, é um desafio, especialmente em aplicações de engenharia em grande escala.

Os pesquisadores do MIT superaram esses desafios de fabricação usando papel tungue, uma técnica de dobrar e cortar papel para criar formas 3D que remonta aos artistas japoneses do século VII.


Os pesquisadores usaram seu método para criar uma estrutura de alumínio com resistência à compressão de mais de 62 quilonewtons, mas pesando apenas 90 quilogramas por metro quadrado. Fonte da imagem: Fornecida por pesquisadores

Kirigami tem sido usado para criar painéis utilizando vincos em zigue-zague parcialmente dobrados. Mas para fazer uma estrutura em sanduíche, as folhas planas devem ser fixadas na parte superior e inferior do núcleo corrugado e depois nos pontos estreitos criados pelas dobras em espinha. Isto muitas vezes requer adesivos fortes ou técnicas de soldagem, tornando a montagem lenta, cara e difícil de dimensionar.

Os pesquisadores do MIT modificaram um padrão comum de vinco de origami para que as pontas afiadas da estrutura ondulada se tornassem facetas. Essas facetas, como as facetas de um diamante, fornecem uma superfície plana na qual as placas podem ser fixadas mais facilmente com parafusos ou rebites.

“As treliças de placas superam as treliças de vigas em termos de resistência e rigidez, enquanto o peso e a estrutura interna permanecem constantes”, disse ParraRubio. "Ao usar litografia de dois fótons para produção em nanoescala, a rigidez e a resistência teóricas atingiram o limite superior de HS. As redes de placas são muito difíceis de construir e, portanto, têm sido pouco estudadas em macroescala. Acreditamos que o dobramento é um caminho para tornar mais fácil a utilização de tais estruturas semelhantes a placas feitas de metal. "

Além disso, a forma como os pesquisadores projetaram, dobraram e cortaram os padrões permitiu-lhes ajustar certas propriedades mecânicas, como rigidez, resistência e módulo de flexão (a tendência de um material de resistir à flexão). Eles codificaram essas informações, juntamente com as formas tridimensionais, em mapas de vincos, que usaram para criar essas ondulações de papel gelatinoso.

Por exemplo, dependendo de como as pregas são projetadas, algumas células podem ser moldadas para manterem sua forma quando comprimidas, enquanto outras podem ser modificadas para dobrarem. Desta forma, os pesquisadores podem controlar com precisão como diferentes áreas da estrutura se deformam sob compressão.

Como a flexibilidade da estrutura pode ser controlada, essas ondulações podem ser usadas em robôs ou outras aplicações dinâmicas com peças móveis, torcidas e dobradas.

Para fazer grandes estruturas como robôs, os pesquisadores usam um processo de montagem modular. Eles produzem em massa padrões de vincos menores e os montam em estruturas tridimensionais ultraleves e ultrafortes. A estrutura menor possui menos vincos, simplificando o processo de fabricação.

Usando um padrão Miura-ori modificado, os pesquisadores criaram um padrão de vinco que produz a forma e as propriedades estruturais desejadas. Eles então usaram uma máquina única – uma mesa de corte Zund – para cortar folhas planas de metal e dobrá-las em formas tridimensionais.

"Para fabricar produtos como carros e aviões, é necessário investir pesadamente em moldes. Este processo de fabricação não requer ferramentas, como a impressão 3D. Mas, diferentemente da impressão 3D, nosso processo pode definir os limites do registro das propriedades dos materiais", disse Gershenfeld.

Usando seu método, eles criaram uma estrutura de alumínio com resistência à compressão de mais de 62 quilonewtons, mas pesando apenas 90 quilogramas por metro quadrado. (A cortiça pesa cerca de 100 quilogramas por metro quadrado) A sua estrutura é muito forte e pode suportar três vezes a força das ondulações de alumínio normais.

Esta tecnologia versátil pode ser usada em uma ampla gama de materiais, incluindo aço e compósitos, tornando-a ideal para a produção de componentes leves de absorção de choque para aeronaves, carros ou naves espaciais.

No entanto, os pesquisadores descobriram que sua abordagem pode ser difícil de modelar. Portanto, eles planejam desenvolver ferramentas de design CAD fáceis de usar para essas estruturas de grade no futuro. Além disso, eles esperam explorar métodos para reduzir o custo computacional de simulação do desempenho exigido pelos seus projetos.

Parra-Rubio, Mondilova e outros estudantes de pós-graduação do MIT também usaram essa técnica para criar três grandes obras de arte dobradas a partir de compostos de alumínio, que estão em exibição no MIT Media Lab. Embora cada peça tenha vários metros de comprimento, as estruturas levaram apenas algumas horas para serem criadas.

“Em última análise, a obra de arte só é possível por causa das contribuições matemáticas e de engenharia que demonstramos em nosso artigo. Mas também não queremos perder de vista o poder estético do nosso trabalho”, disse ParraRubio.