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Molas, rodos e canudos de refrigerante funcionam com uma propriedade comum: são rígidos em uma direção e flexíveis em outra. Estruturas como essas, com propriedades que variam entre as dimensões, desempenharam papéis críticos na tecnologia humana, desde o arco longo até o foguete de reforço.
Agora, os pesquisadores se inspiraram na arte do origami para criar superfícies programáveis que permitem aos engenheiros alterar as propriedades físicas de uma substância uniforme em várias direções. Em artigo publicado na edição de 26 de outubro da revista Materiais avançados, os pesquisadores descreveram estruturas que também são programáveis, de modo que as dimensões e as propriedades correspondentes podem mudar conforme necessário. Os pesquisadores esperam que os designers possam aplicar as técnicas a dispositivos médicos, arquitetura, robótica e aeroespacial.
“Temos um número quase infinito de ajustes, que proporcionam um rico espaço de projeto”, disse Glaucio Paulino, professor de Engenharia Margareta Engman Augustine e um dos principais pesquisadores. Paulino, professor de engenharia civil e ambiental e do Instituto de Ciência e Tecnologia de Materiais de Princeton, trabalhou com colegas do Instituto Indiano de Tecnologia Madras, da Universidade de Pequim, da Universidade de Tóquio e da Universidade de Trento no projeto.
Para criar as estruturas, os pesquisadores começaram com células de quatro figuras em forma de pipa conhecidas como losangos; cada losango está conectado a dois outros ao longo de dois lados, com uma extremidade traseira de cada losango livre. Os lados de conexão são articulados de algumas maneiras especiais, de modo que cada célula pode clicar em uma variedade de formas, de uma cesta larga a dobras finas. Os pesquisadores combinam muitas dessas células para criar uma ampla gama de superfícies.
Ao ajustar as células, os pesquisadores podem alterar as propriedades de toda a superfície: entre as opções, elas podem variar a compressibilidade, flexibilidade e densidade. Como as células individuais são ajustáveis, os pesquisadores podem variar as propriedades dentro da superfície e podem facilmente alterar e ajustar as propriedades.
“Geralmente, um único padrão de origami tem uma propriedade mecânica específica”, disse Tomohiro Tachi, um dos pesquisadores e professor da Universidade de Tóquio. “Esta estrutura pode alternar entre vários estados que possuem propriedades distintas. É um módulo universal para programação e reprogramação de materiais com propriedades versáteis.”
Cada célula demonstra três estados estáveis, o que significa que eles manterão a posição uma vez clicados nela. Esse recurso é útil para engenheiros que buscam utilizar os padrões de origami em aplicações, pois permite maior controle das estruturas. Também permite que os projetistas usem as técnicas sem precisar adicionar suportes para as estruturas à medida que sua orientação muda. Por exemplo, um designer pode ajustar uma série de células para tornar uma superfície mais flexível em uma área e ter certeza de que as células manteriam essa posição sem precisar de suporte adicional.
“O que observamos experimentalmente é uma estrutura tri-estável real porque os estados estáveis podem ser determinados pelo som de ‘clique’ que emite quando se encaixa entre as diferentes configurações”, disse Diego Misseroni, professor da Universidade de Trento e membro da equipe de pesquisa.
A técnica tira proveito de um fenômeno que os físicos chamam de frustração. Na geometria, a frustração é uma característica que impede que um padrão se propague por um amplo espaço – como uma rocha irregular em um campo de neve. Com as células ajustáveis, os pesquisadores podem introduzir frustração nas estruturas. Eles usam isso para alterar as propriedades da superfície. Eles podem fazê-lo em grandes áreas e pequenos pontos.
“Uma frustração é uma espécie de defeito de engenharia, um defeito de projeto”, disse Paulino. “Se um defeito é arbitrário, geralmente é ruim. Mas se pudermos projetá-lo, podemos usá-lo de uma maneira interessante.”
O co-pesquisador Ke Liu disse estar satisfeito com a capacidade de transformar um defeito em uma vantagem de engenharia.
“Um defeito de projeto não é mais uma falha defeituosa”, disse Liu, professor da Universidade de Pequim. “Neste trabalho, usamos a magia do origami para criar um material cujos defeitos podem ser programados por meio de frustração geométrica.”
Os pesquisadores podem usar essas frustrações projetadas para alterar com precisão os padrões da superfície. Ao alterar os padrões, eles podem ajustar as propriedades da superfície.
“Uma linha de frustração altera a densidade, ou o alinhamento, ou a composição do material. Isso altera as propriedades do material, e podemos tirar proveito disso”, disse Paulino.
Paulino disse que os pesquisadores usaram modelagem e experimentação para demonstrar o uso da técnica em sistemas unidimensionais e bidimensionais. Ele disse que os pesquisadores estão realizando mais trabalhos para ver como a técnica funciona em três dimensões, empilhando as células e conectando-as horizontalmente.
A inspiração para a técnica veio da cristalografia, disse Paulino. Muitas propriedades importantes do material são determinadas pela geometria das estruturas cristalinas. A clareza e a força dos diamantes, por exemplo, dependem de configurações regulares de estruturas de carbono. Paulino e seus colegas queriam explorar se poderiam usar a geometria para imitar essas condições em materiais de maior escala.
Phanisri Pratapa, um dos pesquisadores e professor do Instituto Indiano de Tecnologia Madras, disse que os pesquisadores foram encorajados pelos resultados e ansiosos para continuar nessa linha de investigação.
“Os mecanismos intrigantes exibidos pelo nosso material de dobramento indicam a existência de mais desses mistérios em metamateriais arquitetados baseados em origami que ainda precisam ser desvendados”, disse ele.
O artigo, Metamateriais triclínicos por origami tristable com frustração reprogramável, foi publicado em 26 de outubro na revista Advanced Materials com uma ilustração de capa. O apoio para o trabalho foi fornecido em parte pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, a Faculdade de Engenharia da Universidade de Pequim, o Departamento Indiano de Ciência e Tecnologia, a Comissão Européia e a Agência de Ciência e Tecnologia do Japão.
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