Científicos del MIT desarrollan una interfaz que permite moldear metamateriales en muy poco tiempo

Los ingenieros buscan constantemente materiales con combinaciones de propiedades novedosas y deseables. Por ejemplo, un material liviano y ultrarresistente podría usarse para hacer que los aviones y los automóviles sean más eficientes en combustible, o un material que sea poroso y biomecánicamente amigable podría ser útil para los implantes óseos. 

El premio a la mejor arquitectura mendocina ya tiene una nueva edición

Los metamateriales celulares, estructuras artificiales compuestas de unidades o células que se repiten en varios patrones, pueden ayudar a lograr estos objetivos. Pero es difícil saber qué estructura celular conducirá a las propiedades deseadas. Incluso si uno se enfoca en estructuras hechas de bloques de construcción más pequeños como vigas interconectadas o placas delgadas, hay un número infinito de arreglos posibles a considerar. Entonces, los ingenieros pueden explorar manualmente solo una pequeña fracción de todos los metamateriales celulares que son hipotéticamente posibles.

Investigadores del MIT y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria han desarrollado una técnica que facilita diseñar rápidamente una celda de metamaterial a partir de cualquiera de  bloques de construcción más pequeños y luego evaluar las propiedades del metamaterial resultante. 

Su enfoque, como un sistema CAD (diseño asistido por computadora) especializado para metamateriales, permite a un ingeniero modelar rápidamente incluso metamateriales muy complejos y experimentar con diseños que, de otro modo, podrían haber tardado días en desarrollarse. La interfaz fácil de usar también permite al usuario explorar todo el espacio de posibles formas de metamateriales, ya que todos los componentes básicos están a su disposición.

"Se nos ocurrió una representación que puede cubrir todas las diferentes formas en las que los ingenieros han mostrado interés tradicionalmente. Debido a que puede construirlas todas de la misma manera, eso significa que puede cambiar entre ellas con mayor fluidez", dice Ingeniería eléctrica e informática del MIT. la estudiante de posgrado Liane Makatura, coautora principal de un artículo sobre esta técnica.

Makatura escribió el artículo con el coautor principal Bohan Wang, un postdoctorado del MIT; Yi-Lu Chen, estudiante de posgrado en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA); Bolei Deng, un postdoctorado del MIT; Chris Wojtan y Bernd Bickel, profesores de ISTA; y el autor principal Wojciech Matusik, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT que dirige el Grupo de Fabricación y Diseño Computacional dentro del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT. La investigación se presentará en SIGGRAPH.

Un método unificado

Cuando un científico desarrolla un metamaterial celular, generalmente comienza eligiendo una representación que se utilizará para describir sus diseños potenciales. Esta elección determina el conjunto de formas que estarán disponibles para la exploración.

Por ejemplo, puede elegir una técnica que represente metamateriales utilizando muchos haces interconectados. Sin embargo, esto le impide explorar metamateriales basados ??en otros elementos, como placas delgadas o estructuras 3D como esferas. Esas formas están dadas por diferentes representaciones, pero hasta ahora no ha habido una manera unificada de describir todas las formas en un solo método.

"Al elegir un subespacio específico con anticipación, limita su exploración e introduce un sesgo basado en su intuición. Si bien esto puede ser útil, la intuición puede ser incorrecta, y algunas de las otras formas también pueden haber valido la pena explorar para su aplicación particular", dice Makatura.

Ella y sus colaboradores dieron un paso atrás y examinaron de cerca diferentes metamateriales. Vieron que las formas que componen la estructura general se pueden representar fácilmente mediante formas de menor dimensión: una viga se puede reducir a una línea o una capa delgada se puede comprimir en una superficie plana.

También notaron que los metamateriales celulares a menudo tienen simetrías, por lo que solo se necesita representar una pequeña parte de la estructura. El resto se puede construir girando y reflejando esa pieza inicial.

"Al combinar esas dos observaciones, llegamos a la idea de que los metamateriales celulares podrían estar bien representados como una estructura gráfica", dice.

Con su representación basada en gráficos, un usuario construye un esqueleto de metamaterial utilizando bloques de construcción creados por vértices y bordes. Por ejemplo, para crear una estructura de viga, uno coloca un vértice en cada punto final de la viga y los conecta con una línea.

Luego, el usuario emplea una función sobre esa línea para especificar el grosor de la viga, que se puede variar para que una parte de la viga sea más gruesa que otra.

El proceso para las superficies es similar: el usuario marca las características más importantes con vértices y luego elige un solucionador que infiere el resto de la superficie.

Estos solucionadores fáciles de usar incluso permiten a los usuarios construir rápidamente un tipo de metamaterial altamente complejo, llamado superficie mínima triplemente periódica (TPMS). Estas estructuras son increíblemente poderosas, pero el proceso habitual para desarrollarlas es arduo y propenso a fallar.

"Con nuestra representación, también puede comenzar a combinar estas formas. Quizás una celda unitaria que contenga tanto una estructura TPMS como una estructura de viga podría brindarle propiedades interesantes. Pero hasta ahora, esas combinaciones realmente no se han explorado en ningún grado", dice ella.

Al final del proceso, el sistema genera todo el procedimiento basado en gráficos, mostrando cada operación que el usuario realizó para llegar a la estructura final: todos los vértices, bordes, solucionadores, transformaciones y operaciones de engrosamiento.

Dentro de la interfaz de usuario, los diseñadores pueden obtener una vista previa de la estructura actual en cualquier punto del procedimiento de construcción y predecir directamente ciertas propiedades, como su rigidez. Luego, el usuario puede ajustar iterativamente algunos parámetros y evaluarlos nuevamente hasta alcanzar un diseño adecuado.

Un marco fácil de usar

Los investigadores utilizaron su sistema para recrear estructuras que abarcaban muchas clases únicas de metamateriales. Una vez que diseñaron los esqueletos, cada estructura de metamaterial tardó solo unos segundos en generarse.

Un cubo gris de 4x4x4, que consta de vigas y formas conectadas, gira infinitamente en una animación sobre un fondo blanco grisáceo.

Este GIF muestra un metamaterial celular renderizado que los investigadores diseñaron usando su sistema. Esta representación, un mosaico de 4x4x4 de la celda unitaria, se compone de vigas, cascarones y formas volumétricas simples. Hubiera sido mucho más difícil crear esto usando otro enfoque debido a los diferentes tipos de elementos arquitectónicos involucrados.

Cortesía de los investigadores

También crearon algoritmos de exploración automatizados, dando a cada uno un conjunto de reglas y luego liberándolo en su sistema. En una prueba, un algoritmo arrojó más de 1000 posibles estructuras basadas en vigas en aproximadamente una hora.

Además, los investigadores realizaron un estudio de usuarios con 10 personas que tenían poca experiencia previa en el modelado de metamateriales. Los usuarios pudieron modelar con éxito las seis estructuras que se les dieron, y la mayoría estuvo de acuerdo en que la representación gráfica de procedimientos facilitó el proceso.

"Nuestra representación hace que todo tipo de estructuras sean más accesibles para las personas. Nos complació especialmente la capacidad de los usuarios para generar TPMS. Estas estructuras complejas suelen ser difíciles de generar incluso para los expertos. Aún así, un TPMS en nuestro estudio tuvo el tiempo de modelado promedio más bajo de las seis estructuras, lo cual fue sorprendente y emocionante", dice ella.

En el futuro, los investigadores quieren mejorar su técnica mediante la incorporación de procedimientos de engrosamiento del esqueleto más complejos, para que el sistema pueda modelar una variedad más amplia de formas. También quieren seguir explorando el uso de algoritmos de generación automática.

Y a largo plazo, les gustaría usar este sistema para el diseño inverso, donde uno especificaría las propiedades deseadas del material y luego usaría un algoritmo para encontrar la estructura metamaterial óptima.

Esta investigación está financiada, en parte, por una beca de investigación de posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias, la beca de diseño de la Academia Morningside del MIT, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), una subvención de consolidación ERC y el proyecto NewSat.

Artículo original: Adam Zewé | Noticias del MIT - MIT