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Os engenheiros estão constantemente em busca de materiais com novas e desejáveis combinações de propriedades. Por exemplo, um material leve e ultrarresistente pode ser usado para tornar aviões e carros mais eficientes em termos de combustível, ou um material poroso e biomecanicamente amigável pode ser útil para implantes ósseos.
Metamateriais celulares – estruturas artificiais compostas de unidades, ou células, que se repetem em vários padrões – podem ajudar a atingir esses objetivos. Mas é difícil saber qual estrutura celular levará às propriedades desejadas. Mesmo que se concentre em estruturas feitas de blocos de construção menores, como vigas interconectadas ou placas finas, há um número infinito de arranjos possíveis a serem considerados. Assim, os engenheiros podem explorar manualmente apenas uma pequena fração de todos os metamateriais celulares hipoteticamente possíveis.
Pesquisadores do MIT e do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria desenvolveram uma técnica computacional que torna mais fácil para um usuário projetar rapidamente uma célula de metamaterial a partir de qualquer um desses blocos de construção menores e, em seguida, avaliar as propriedades do metamaterial resultante.
Sua abordagem, como um sistema especializado de CAD (projeto auxiliado por computador) para metamateriais, permite que um engenheiro modele rapidamente até mesmo metamateriais muito complexos e experimente projetos que, de outra forma, levariam dias para serem desenvolvidos. A interface amigável também permite ao usuário explorar todo o espaço de potenciais formas de metamateriais, uma vez que todos os blocos de construção estão à sua disposição.
“Criamos uma representação que pode abranger todas as diferentes formas nas quais os engenheiros tradicionalmente demonstram interesse. Como você pode construí-las da mesma maneira, isso significa que você pode alternar entre elas com mais fluidez”, diz MIT engenharia elétrica e ciência da computação estudante de pós-graduação Liane Makatura, coautora de um artigo sobre essa técnica.
Makatura escreveu o artigo com o co-autor Bohan Wang, um pós-doutorando do MIT; Yi-Lu Chen, estudante de pós-graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA); Bolei Deng, um pós-doutorando do MIT; Chris Wojtan e Bernd Bickel, professores da ISTA; e o autor sênior Wojciech Matusik, professor de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT que lidera o Grupo de Design e Fabricação Computacional no Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT. A pesquisa será apresentada no SIGGRAPH.
Um método unificado
Quando um cientista desenvolve um metamaterial celular, ele normalmente começa escolhendo uma representação que será usada para descrever seus projetos potenciais. Essa escolha determina o conjunto de formas que estarão disponíveis para exploração.
Por exemplo, ela pode escolher uma técnica que represente metamateriais usando muitos feixes interconectados. No entanto, isso a impede de explorar metamateriais com base em outros elementos, como placas finas ou estruturas 3D como esferas. Essas formas são dadas por diferentes representações, mas até agora não existe uma maneira unificada de descrever todas as formas em um único método.
“Ao escolher um subespaço específico com antecedência, você limita sua exploração e introduz um viés com base em sua intuição. Embora isso possa ser útil, a intuição pode estar incorreta e algumas das outras formas também podem valer a pena explorar para seu aplicativo específico “, diz Makatura.
Ela e seus colaboradores deram um passo para trás e examinaram de perto diferentes metamateriais. Eles viram que as formas que compõem a estrutura geral podem ser facilmente representadas por formas de dimensão inferior – uma viga pode ser reduzida a uma linha ou uma casca fina pode ser comprimida em uma superfície plana.
Eles também notaram que os metamateriais celulares geralmente têm simetrias, então apenas uma pequena parte da estrutura precisa ser representada. O restante pode ser construído girando e espelhando aquela peça inicial.
“Combinando essas duas observações, chegamos a essa ideia de que os metamateriais celulares podem ser bem representados como uma estrutura gráfica”, diz ela.
Com sua representação baseada em gráfico, um usuário constrói um esqueleto de metamaterial usando blocos de construção que são criados por vértices e arestas. Por exemplo, para criar uma estrutura de viga, coloca-se um vértice em cada ponto final da viga e os conecta com uma linha.
Em seguida, o usuário emprega uma função sobre essa linha para especificar a espessura da viga, que pode ser variada para que uma parte da viga seja mais espessa que a outra.
O processo para superfícies é semelhante – o usuário marca os recursos mais importantes com vértices e, em seguida, escolhe um solucionador que infere o restante da superfície.
Esses solucionadores fáceis de usar permitem que os usuários construam rapidamente um tipo altamente complexo de metamaterial, chamado de superfície mínima triplamente periódica (TPMS). Essas estruturas são incrivelmente poderosas, mas o processo usual para desenvolvê-las é árduo e sujeito a falhas.
“Com nossa representação, você também pode começar a combinar essas formas. Talvez uma célula unitária contendo uma estrutura TPMS e uma estrutura de viga possa fornecer propriedades interessantes. Mas até agora, essas combinações realmente não foram exploradas em nenhum grau”, ela diz.
No final do processo, o sistema gera todo o procedimento baseado em gráfico, mostrando todas as operações que o usuário realizou para chegar à estrutura final – todos os vértices, arestas, solucionadores, transformações e operações de espessamento.
Dentro da interface do usuário, os projetistas podem visualizar a estrutura atual em qualquer ponto do procedimento de construção e prever diretamente certas propriedades, como sua rigidez. Em seguida, o usuário pode ajustar iterativamente alguns parâmetros e avaliá-los novamente até que um projeto adequado seja alcançado.
Uma estrutura amigável
Os pesquisadores usaram seu sistema para recriar estruturas que abrangem muitas classes únicas de metamateriais. Depois de projetarem os esqueletos, cada estrutura de metamaterial levou apenas alguns segundos para ser gerada.
Eles também criaram algoritmos de exploração automatizados, dando a cada um um conjunto de regras e depois liberando-o em seu sistema. Em um teste, um algoritmo retornou mais de 1.000 estruturas baseadas em treliças em cerca de uma hora.
Além disso, os pesquisadores conduziram um estudo de usuário com 10 indivíduos que tinham pouca experiência anterior em modelar metamateriais. Os usuários foram capazes de modelar com sucesso todas as seis estruturas que receberam, e a maioria concordou que a representação gráfica processual tornou o processo mais fácil.
“Nossa representação torna todos os tipos de estruturas mais acessíveis para as pessoas. Ficamos especialmente satisfeitos com a capacidade dos usuários de gerar TPMS. Essas estruturas complexas geralmente são difíceis de gerar até mesmo para especialistas. Ainda assim, um TPMS em nosso estudo teve o menor tempo médio de modelagem de todas as seis estruturas, o que foi surpreendente e emocionante”, diz ela.
No futuro, os pesquisadores querem aprimorar sua técnica incorporando procedimentos mais complexos de espessamento do esqueleto, para que o sistema possa modelar uma variedade maior de formas. Eles também querem continuar explorando o uso de algoritmos de geração automática.
E, a longo prazo, eles gostariam de usar esse sistema para design inverso, onde alguém especificaria as propriedades desejadas do material e então usaria um algoritmo para encontrar a estrutura ideal do metamaterial.
Esta pesquisa é financiada, em parte, por um National Science Foundation Graduate Research Fellowship, o MIT Morningside Academy Design Fellowship, a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), um ERC Consolidator Grant e o projeto NewSat.
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