Pesquisadores desenvolveram uma estrutura de polímero com formato de “lanterna chinesa” que pode rapidamente transformar-se em mais de uma dúzia de formas curvas em três dimensões quando comprimida ou torcida. Essa transformação pode ser acionada e controlada remotamente com um campo magnético, criando possibilidades para uma ampla gama de aplicações práticas.
Para construir a lanterna, a equipe começou com uma fina folha de polímero cortada em um paralelogramo em forma de diamante. Em seguida, cortaram uma série de linhas uniformemente espaçadas pelo centro da folha, formando fitas paralelas conectadas por tiras sólidas de material na parte superior e inferior. Quando as extremidades dessas tiras superior e inferior são unidas, a folha se dobra naturalmente em uma forma arredondada, semelhante a uma lanterna.
“Essa forma básica é, por si só, bistável”, diz Jie Yin, autor correspondente do artigo sobre o trabalho e professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade Estadual da Carolina do Norte. “Em outras palavras, ela possui duas formas estáveis. É estável em sua forma de lanterna, claro. Mas, se você comprimir a estrutura, pressionando a partir do topo, ela começará a deformar lentamente até atingir um ponto crítico, momento em que ela saltará para uma segunda forma estável que se assemelha a uma pião. Na forma de pião, a estrutura armazenou toda a energia que você usou para comprimí-la. Assim, uma vez que você comece a puxar a estrutura para cima, chegará a um ponto em que toda essa energia é liberada de uma vez, fazendo com que ela retorne rapidamente à forma de lanterna.”
“Descobrimos que poderíamos criar muitas formas adicionais aplicando uma torção à forma, dobrando as tiras sólidas na parte superior ou inferior da lanterna para dentro ou para fora, ou qualquer combinação dessas ações”, diz Yaoye Hong, primeiro autor do artigo e ex-aluno de doutorado da NC State, que agora é pesquisador pós-doutoral na Universidade da Pensilvânia. “Cada uma dessas variações também é multistável. Algumas podem saltar entre dois estados estáveis. Uma possui quatro estados estáveis, dependendo se você está comprimindo a estrutura, torcendo a estrutura, ou comprimindo e torcendo a estrutura simultaneamente.”
Os pesquisadores também conferiram controle magnético às lanterna, anexando um fino filme magnético à tira inferior. Isso lhes permitiu torcer ou comprimir remotamente as estruturas usando um campo magnético. Eles demonstraram várias possíveis aplicações para o design, incluindo um gripper magnético suave que pode pegar e soltar peixes sem causar danos, um filtro de controle de fluxo que abre e fecha debaixo d’água, e uma forma compacta que de repente se estende para cima para reabrir um tubo colapsado. Um vídeo do experimento está disponível abaixo do artigo.
Para entender melhor e prever o comportamento da lanterna, a equipe também criou um modelo matemático mostrando como a geometria de cada ângulo afeta tanto a forma final quanto a quantidade de energia elástica armazenada em cada configuração estável.
“Esse modelo nos permite programar a forma que queremos criar, quão estável ela é e quão poderosa pode ser quando a energia potencial armazenada é liberada como energia cinética”, diz Hong. “E todas essas características são críticas para criar formas que possam executar aplicações desejadas.”
“Avançando, essas unidades de lanterna podem ser montadas em arquiteturas 2D e 3D para amplas aplicações em metamateriais mecânicos que mudam de forma e robótica”, diz Yin. “Estaremos explorando isso.”
O artigo, “Reprogrammable snapping morphogenesis in freestanding ribbon-cluster meta-units via stored elastic energy,” foi publicado em 10 de outubro na revista Nature Materials. O artigo foi co-autorado por Caizhi Zhou e Haitao Qing, ambos alunos de doutorado na NC State; e por Yinding Chi, um ex-aluno de doutorado da NC State que agora é pesquisador pós-doutoral na Penn.
Este trabalho foi realizado com apoio da Fundação Nacional de Ciência sob os contratos 2005374, 2369274 e 2445551.
