Raleigh, Universidade Estadual da Carolina do Norte — InkDesign News — Pesquisadores desenvolveram uma estrutura polimérica em formato de “lanterna chinesa” capaz de alternar rapidamente entre mais de uma dezena de formas curvas tridimensionais por compressão ou torção. O estudo, publicado em outubro na revista Nature Materials, aponta que essas transformações podem ser controladas remotamente por campo magnético, abrindo novos horizontes para aplicações tecnológicas e industriais.
O Contexto da Pesquisa
Projetos de materiais com morfologia adaptativa tornaram-se foco central nas áreas de metamateriais mecânicos e robótica leve, devido ao potencial em aplicações como dispositivos médicos minimamente invasivos, engenharia suave e sistemas autônomos. Os desafios atuais envolvem criar estruturas eficientes que combinem multiestabilidade, controle remoto e reprogramação morfológica. A equipe sediada na Universidade Estadual da Carolina do Norte buscou superar essas limitações desenvolvendo um novo conceito baseado em energia elástica armazenada e manipulação geométrica de polímeros.
Resultados e Metodologia
A partir de uma folha fina de polímero recortada em paralelogramo, os cientistas aplicaram cortes longitudinais formando fitas paralelas presas por tiras sólidas nas extremidades. Ao unir as extremidades superior e inferior, a estrutura naturalmente se dobra no formato de lanterna. O professor Jie Yin explica:
“Esta forma básica é, por si só, biestável. Ou seja, possui duas formas estáveis. É estável em sua configuração de lanterna, naturalmente. Mas, se você comprimir a estrutura, pressionando de cima, ela começa a se deformar lentamente até atingir um ponto crítico, quando então estala para uma segunda forma estável que lembra um pião.”
(“This basic shape is, by itself, bistable. In other words, it has two stable forms. It is stable in its lantern shape, of course. But if you compress the structure, pushing down from the top, it will slowly begin to deform until it reaches a critical point, at which point it snaps into a second stable shape that resembles a spinning top.”)— Jie Yin, Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, NC State
A introdução de uma película magnética permitiu o controle à distância, possibilitando aplicações como pinças para captura delicada de peixes, filtros de fluxo subaquáticos e sistemas capazes de reabrir tubos colapsados. Para prever e programar o comportamento das estruturas, os pesquisadores também desenvolveram um modelo matemático que relaciona geometria e energia elástica armazenada.
Yaoye Hong, primeiro autor do artigo e atualmente pesquisador da Universidade da Pensilvânia, detalha:
“Descobrimos que podíamos criar muitas formas adicionais aplicando uma torção ou dobrando as tiras sólidas nas extremidades, ou combinando essas ações. Cada variação também é multiestável.”
(“We found that we could create many additional shapes by applying a twist to the shape, by folding the solid strips at the top or bottom of the lantern in or out, or any combination of those things. Each of these variations is also multistable.”)— Yaoye Hong, Pesquisador, University of Pennsylvania
Implicações e Próximos Passos
A capacidade de programar formas, estabilidade e potência destas estruturas pode revolucionar a área de materiais inteligentes, permitindo desde robôs biomiméticos a sistemas de engenharia médica adaptativos. O modelo desenvolvido permite antecipar a performance de cada configuração da lanterna, direcionando futuros projetos para aplicações específicas.
Segundo Yin,
“Unidades de lanterna podem ser montadas em arquiteturas bidimensionais e tridimensionais para aplicações amplas em metamateriais mecânicos de morfologia variável e robótica.”
(“Moving forward, these lantern units can be assembled into 2D and 3D architectures for broad applications in shape-morphing mechanical metamaterials and robotics.”)— Jie Yin, Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, NC State
Os próximos passos envolvem expandir a pesquisa para arquiteturas complexas, visando sistemas reconfiguráveis on-demand e integração com dispositivos inteligentes. O estudo foi financiado pela National Science Foundation, via bolsas 2005374, 2369274 e 2445551.
À medida que a fronteira de materiais programáveis avança, a expectativa é que esses conceitos impulsionem a próxima geração de dispositivos multifuncionais na indústria, medicina e automação.
Fonte: (ScienceDaily – Ciência)
