Os pesquisadores desenvolveram uma estrutura de polímero em forma de “lanterna chinesa” que pode rapidamente se transformar em mais de uma dúzia de formas tridimensionais curvas quando é comprimida ou torcida. Esta transformação pode ser desencadeada e controlada remotamente através de campos magnéticos, abrindo a possibilidade para uma ampla gama de utilizações práticas.
Para criar a lanterna, a equipe primeiro cortou finas folhas de polímero em paralelogramos em forma de losango. Eles então cortam uma série de linhas espaçadas uniformemente no centro da folha, formando tiras paralelas conectadas por tiras de material sólido na parte superior e inferior. Quando as extremidades dessas tiras superior e inferior são conectadas entre si, os painéis dobram-se naturalmente em forma de lanterna redonda.
“Esta forma básica é inerentemente biestável”, disse Jie Yin, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade Estadual da Carolina do Norte e autor correspondente do artigo de pesquisa. “Em outras palavras, tem duas formas estáveis. Claro, seu formato de lanterna é estável. Mas se você comprimir a estrutura e empurrar para baixo de cima para baixo, ela lentamente começa a se deformar até atingir um ponto crítico, momento em que muda para uma segunda forma estável, semelhante a um topo. Na forma de topo, a estrutura armazena toda a energia usada para comprimi-la. Então, assim que você começa a puxar a estrutura para cima, você chega a um ponto onde toda a energia é liberada imediatamente, causando para retornar rapidamente à sua forma de lanterna.”
“Descobrimos que poderíamos criar muitas formas adicionais torcendo a forma, dobrando as tiras sólidas na parte superior ou inferior da lanterna para dentro ou para fora, ou qualquer combinação dessas coisas”, disse Yehong Yao, ex-Ph.D. estudante na North Carolina State University e agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Pensilvânia. “Cada uma dessas mudanças é multiestável. Algumas podem alternar entre dois estados estáveis. Uma delas tem quatro estados estáveis, dependendo se você comprime a estrutura, torce a estrutura ou comprime e torce a estrutura ao mesmo tempo.”
Os pesquisadores também conseguiram o controle magnético da lâmpada anexando um filme magnético à faixa inferior. Isso permite que eles usem campos magnéticos para torcer ou comprimir estruturas remotamente. Eles demonstraram vários usos possíveis para o projeto, incluindo um gabarito magnético suave que poderia capturar e soltar peixes sem prejudicá-los, um filtro de controle de fluxo que abre e fecha debaixo d’água e uma forma compacta que se estende repentinamente para cima para reabrir um tubo colapsado. Um vídeo do experimento está disponível abaixo do artigo.
Para melhor compreender e prever o comportamento da lanterna, a equipe também criou um modelo matemático que mostra como a geometria em cada ângulo afeta a forma final e quanta energia elástica é armazenada em cada configuração estável.
“Este modelo nos permite programar a forma que queremos criar, determinar quão estável ela é e quão poderosa é quando a energia potencial armazenada é convertida em energia cinética”, disse Hong. “Tudo isso é fundamental para criar formas que possam executar as aplicações desejadas.”
“No futuro, essas unidades de lanterna podem ser montadas em arquiteturas 2D e 3D com aplicações generalizadas nas áreas de metamateriais mecânicos que deformam formas e robótica”, disse Yin. “Vamos explorar isso.”
O artigo, “Morfogênese capturada reprogramável em células independentes de elementos de cluster de fita por meio de energia elástica armazenada”, foi publicado na revista em 10 de outubro. materiais naturais. O artigo foi coautor de Zhou Caizhi e Dr. Qing Haitao. estudante da Universidade Estadual da Carolina do Norte; por Yinding Chi, ex-aluno de doutorado na Universidade Estadual da Carolina do Norte e agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Pensilvânia.
Este trabalho foi realizado sob bolsas da National Science Foundation 2005374, 2369274 e 2445551.
