Pesquisadores do Centro de Bits e atomos do MIT criaram blocos de construção minaºsculos que exibem uma variedade de propriedades meca¢nicas exclusivas, como a capacidade de produzir um movimento de torção quando pressionados. Essas subunidades poderiam ser montadas por pequenos robôs em uma variedade quase ilimitada de objetos com funcionalidade embutida, incluindo vea­culos, grandes pea§as industriais ou robôs especializados que podem ser remontados repetidamente em diferentes formas.

Os pesquisadores criaram quatro tipos diferentes dessas subunidades, chamados voxels (uma variação 3D dos pixels de uma imagem 2D). Cada tipo de voxel exibe propriedades especiais não encontradas em materiais naturais ta­picos e, em combinação, podem ser usados ​​para fazer dispositivos que respondem a esta­mulos ambientais de maneiras previsa­veis. Os exemplos podem incluir asas de avia£o ou pa¡s de turbinas que respondem amudanças na pressão do ar ou na velocidade do vento alterando sua forma geral.

As descobertas, que detalham a criação de uma familia de “metamateriais meca¢nicos” discretos, são descritas em um artigo publicado hoje na revista Science Advances , de autoria do recente doutorando do MIT Benjamin Jenett PhD '20, Professor Neil Gershenfeld e quatro outros.

“Esta sa­ntese nota¡vel, fundamental e bela promete revolucionar o custo, a adaptabilidade e a eficiência funcional de estruturas ultraleves com materiais frugais”, diz Amory Lovins, professor adjunto de engenharia civil e ambiental na Universidade de Stanford e fundador do Rocky Mountain Institute , que não estava associado a este trabalho.

Os metamateriais tem esse nome porque suas propriedades em grande escala são diferentes das propriedades de microna­vel de seus materiais componentes. Eles são usados ​​em eletromagnetismo e como materiais “arquitetados”, que são projetados nonívelde sua microestrutura. “Mas não foi feito muito na criação de propriedades meca¢nicas macrosca³picas como um metamaterial”, diz Gershenfeld.

Com esta abordagem, os engenheiros devem ser capazes de construir estruturas que incorporem uma ampla gama de propriedades de materiais - e produzi-los todos usando os mesmos processos de produção e montagem compartilhados, diz Gershenfeld.

Os voxels são montados a partir de pea§as planas de polímeros moldados por injeção e, em seguida, combinados em formas tridimensionais que podem ser unidas em estruturas funcionais maiores. Eles são principalmente Espaços abertos e, portanto, fornecem uma estrutura extremamente leve, mas ra­gida quando montados. Além da unidade ba¡sica ra­gida, que oferece uma combinação excepcional de resistência e leveza, existem três outras variações desses voxels, cada uma com uma propriedade incomum diferente.

Os voxels “auxanãticos” tem uma propriedade estranha em que um cubo do material, quando comprimido, em vez de protuberante para os lados, na verdade salta para dentro. Esta éa primeira demonstração de tal material produzido por meio de manãtodos de fabricação convencionais e baratos.

Existem também voxels “complacentes”, com coeficiente de Poisson zero, que éum pouco semelhante a  propriedade auxanãtica, mas neste caso, quando o material écomprimido, os lados não mudam de forma. Poucos materiais conhecidos exibem essa propriedade, que agora pode ser produzida por meio dessa nova abordagem.

Finalmente, os voxels “quirais” respondem a  compressão axial ou alongamento com um movimento de torção. Novamente, esta éuma propriedade incomum; a pesquisa que produziu um desses materiais por meio de técnicas de fabricação complexas foi saudada no ano passado como uma descoberta significativa. Este trabalho torna esta propriedade facilmente acessa­vel em escalas macrosca³picas.

“Cada tipo de propriedade de material que mostramos anteriormente era seu pra³prio campo”, diz Gershenfeld. “As pessoas escreveriam artigos sobre apenas uma propriedade. Esta éa primeira coisa que mostra todos eles em um aºnico sistema. ”

Para demonstrar o potencial do mundo real de grandes objetos construa­dos de maneira semelhante a LEGO a partir desses voxels produzidos em massa, a equipe, trabalhando em colaboração com engenheiros da Toyota, produziu um carro de corrida funcional de supermilhagem, que foi demonstrado em um receba acompanhamento durante uma conferaªncia internacional de roba³tica no ini­cio deste ano.

Eles conseguiram montar a estrutura leve e de alto desempenho em apenas um maªs, diz Jenett, ao passo que construir uma estrutura compara¡vel usando manãtodos convencionais de construção de fibra de vidro levava um ano.

Durante a corrida, a pista estava escorregadia por causa da chuva e o carro de corrida acabou colidindo com uma barreira. Para a surpresa de todos os envolvidos, a estrutura interna em forma de trelia§a do carro deformou-se e depois saltou para trás, absorvendo o choque com poucos danos. Um carro de construção convencional, diz Jenett, provavelmente teria sido seriamente amassado se fosse feito de metal ou estilhaa§ado se fosse composto.

O carro forneceu uma demonstração va­vida do fato de que essas pea§as minaºsculas podem de fato ser usadas para fazer dispositivos funcionais em escala de tamanho humano. E, Gershenfeld aponta, na estrutura do carro, “essas não são pea§as conectadas a outra coisa. A coisa toda éfeita apenas dessas pea§as ”, exceto os motores e a fonte de alimentação.

Como os voxels são uniformes em tamanho e composição, eles podem ser combinados de qualquer maneira necessa¡ria para fornecer funções diferentes para o dispositivo resultante. “Podemos abranger uma ampla gama de propriedades de materiais que antes eram consideradas muito especializadas”, diz Gershenfeld. “A questãoéque vocênão precisa escolher uma propriedade. Vocaª pode fazer, por exemplo, robôs que se dobram em uma direção e são ra­gidos em outra direção e se movem apenas de determinadas maneiras. E assim, a grande mudança em relação ao nosso trabalho anterior éa capacidade de abranger várias propriedades meca¢nicas de materiais, que antes eram consideradas isoladamente. ”

Jenett, que realizou grande parte desse trabalho como base para sua tese de doutorado , afirma que “essas pea§as são de baixo custo, de fa¡cil produção e muito rápidas de montar, e vocêobtanãm essa gama de propriedades em um aºnico sistema. Eles são todos compata­veis uns com os outros, então existem todos esses tipos diferentes de propriedades exa³ticas, mas todos eles funcionam bem uns com os outros no mesmo sistema escalona¡vel e barato. ”

“Pense em todas as pea§as ra­gidas e ma³veis em carros, robôs, barcos e aviaµes”, diz Gershenfeld. “E podemos abranger tudo isso com este aºnico sistema.”

Um fator chave éque uma estrutura composta por um tipo desses voxels se comportara¡ exatamente da mesma maneira que a própria subunidade, diz Jenett. “Pudemos demonstrar que as juntas desaparecem efetivamente quando vocêmonta as pea§as. Ele se comporta como um continuum, material monola­tico. ”

Enquanto a pesquisa em roba³tica tende a ser dividida entre robôs ra­gidos e leves, “isso não énenhum dos dois”, diz Gershenfeld, devido ao seu potencial de misturar e combinar essas propriedades em um aºnico dispositivo.

Uma das possa­veis aplicações iniciais dessa tecnologia, diz Jenett, poderia ser para a construção de pa¡s de turbinas ea³licas. Amedida que essas estruturas se tornam cada vez maiores, o transporte das lâminas atéo local de operação se torna um sanãrio problema loga­stico, ao passo que, se forem montadas a partir de milhares de minaºsculas subunidades, esse trabalho pode ser feito no local, eliminando o problema de transporte. Da mesma forma, o descarte de pa¡s de turbinas usadas já estãose tornando um sanãrio problema devido ao seu grande tamanho e a  falta de reciclabilidade. Mas lâminas feitas de minaºsculos voxels podem ser desmontadas no local e os voxels reutilizados para fazer outra coisa.

E, além disso, as próprias pa¡s poderiam ser mais eficientes, porque poderiam ter uma mistura de propriedades meca¢nicas projetadas na estrutura que lhes permitiria responder de forma dina¢mica e passiva a smudanças na força do vento, diz ele.

No geral, Jenett diz: “Agora temos este sistema escalona¡vel de baixo custo, para que possamos projetar o que quisermos. Podemos fazer quadraºpedes, podemos fazer robôs nadadores, podemos fazer robôs voadores. Essa flexibilidade éum dos principais benefa­cios do sistema. ”

Lovins, de Stanford, diz que essa tecnologia “poderia fazersuperfÍcies de va´o aerona¡uticas baratas, dura¡veis ​​e extraordinariamente leves que otimizassem passiva e continuamente sua forma como a asa de um pa¡ssaro. Tambanãm poderia fazer com que a massa vazia dos automa³veis se aproximasse mais de sua carga útil, já que sua estrutura a  prova de choque torna-se principalmente aanãrea. Pode atépermitir conchas esfanãricas cuja força de esmagamento permite que um bala£o a va¡cuo (sem hanãlio) flutuante na atmosfera levante algumas daºzias de vezes a carga útil la­quida de um jumbo. ”

Ele acrescenta: “Como a biomimanãtica e o design integrador, esta nova arte de metamateriais celulares éuma nova ferramenta poderosa para nos ajudar a fazer mais com menos.”

A equipe de pesquisa incluiu Filippos Tourlomousis, Alfonso Parra Rubio e Megan Ochalek no MIT, e Christopher Cameron no Laborata³rio de Pesquisa do Exanãrcito dos EUA. O trabalho foi apoiado pela NASA, o Laborata³rio de Pesquisa do Exanãrcito dos EUA e o Center for Bits and Atoms Consortia.