Innovación en metamateriales 3D impresos revoluciona la ingeniería

Los metamateriales, definidos por su microestructura interna más que por su composición química, han transformado el ámbito de los materiales de ingeniería en la última década. Sin embargo, la mayoría de estos materiales han sido opciones ligeras diseñadas para rigidez y resistencia. Un nuevo estudio del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT introduce un marco de diseño computacional que apoya la creación de una nueva clase de metamateriales blandos, conformables y deformables. Estos metamateriales, denominados metamateriales 3D tejidos, están compuestos por bloques de construcción de fibras entrelazadas que se auto-contactan y enredan, dotando al material de propiedades únicas. Carlos Portela, profesor asociado de ingeniería mecánica, explica que los materiales blandos son necesarios para desafíos emergentes en áreas como la robótica blanda, dispositivos biomédicos o incluso para dispositivos portátiles y textiles funcionales. En un artículo de acceso abierto publicado el 26 de enero en la revista Nature Communications, los investigadores del laboratorio de Portela proporcionan un marco de diseño universal que genera metamateriales 3D tejidos complejos con una amplia gama de propiedades. El trabajo también ofrece un código de fuente abierta que permite a los usuarios crear diseños para ajustarse a especificaciones y generar un archivo para imprimir o simular el material utilizando una impresora 3D. Portela destaca que, a diferencia de los patrones limitados por el hardware tradicional de tejido, este marco permite crear patrones interesantes que cambian completamente el comportamiento del textil. Las aplicaciones potenciales incluyen sensores portátiles que se mueven con la piel humana, telas para necesidades aeroespaciales o de defensa, dispositivos electrónicos flexibles y una variedad de otros textiles imprimibles. El equipo desarrolló reglas de diseño generales en forma de un algoritmo que primero proporciona una representación gráfica del metamaterial. Los atributos de este gráfico dictan cómo se coloca y conecta cada fibra dentro del metamaterial. Los bloques de construcción fundamentales son celdas unitarias tejidas que pueden ser graduadas funcionalmente mediante el control de varios parámetros de diseño, como el radio y el paso de las fibras que componen los puntales tejidos. Molly Carton, autora principal del estudio, señala que este marco permite que estos metamateriales se adapten para ser más blandos en un lugar y más rígidos en otro, o para cambiar de forma al estirarse, exhibiendo un rango excepcional de comportamientos difíciles de diseñar con materiales blandos convencionales. Además, el marco de simulación también permite a los usuarios predecir la respuesta de deformación de estos materiales, capturando fenómenos complejos como el auto-contacto dentro de las fibras y el enredo, y diseñar para predecir y resistir patrones de deformación o desgarro. Portela afirma que la parte más emocionante fue poder adaptar el fallo en estos materiales y diseñar combinaciones arbitrarias. Basándose en las simulaciones, pudieron fabricar estas geometrías espacialmente variables y experimentar con ellas a microescala. Este trabajo es el primero en proporcionar una herramienta para que los usuarios diseñen, impriman y simulen una clase emergente de metamateriales que son extensibles y resistentes. También demuestra que, mediante el ajuste de parámetros geométricos, los usuarios pueden controlar y predecir cómo estos materiales se deformarán y fallarán, y presenta varios nuevos bloques de construcción de diseño que expanden sustancialmente el espacio de propiedades de los metamateriales tejidos. Carton cree que el marco será útil en muchas disciplinas. Al liberar este marco como una herramienta de software, esperan que otros investigadores exploren lo que es posible utilizando redes tejidas y encuentren nuevas formas de utilizar esta flexibilidad de diseño.