MIT Desarrolla un Marco para Metamateriales Tejidos en 3D con Propiedades Programables

Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han desarrollado un marco de diseño computacional que facilita la creación de metamateriales tejidos tridimensionales (3D) con propiedades mecánicas personalizables. Estos metamateriales están compuestos por fibras entrelazadas que se auto-contactan y enredan, resultando en comportamientos únicos.

Carlos Portela, profesor de desarrollo profesional Robert N. Noyce y profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, destacó la importancia de este desarrollo para los desafíos emergentes en ingeniería en áreas como la robótica blanda, dispositivos biomédicos, dispositivos portátiles y textiles funcionales.

El marco, detallado en un artículo publicado el 26 de enero en Nature Communications, proporciona código de código abierto que permite a los usuarios diseñar metamateriales adaptados a especificaciones específicas y generar archivos adecuados para impresión 3D o simulación. Este enfoque posibilita la creación de estructuras tejidas 3D complejas con una amplia gama de propiedades.

Portela señaló que el tejido o tricotado tradicional ha estado limitado por las restricciones del hardware durante siglos, resultando en un número limitado de patrones para la ropa. Enfatizó que este nuevo marco supera tales limitaciones, permitiendo el desarrollo de patrones innovadores que pueden alterar significativamente el comportamiento de los textiles.

El equipo de investigación desarrolló reglas generales de diseño en forma de un algoritmo que proporciona una representación gráfica del metamaterial. Este gráfico dicta la colocación y conexión de cada fibra dentro del material. Los bloques fundamentales son celdas unitarias tejidas que pueden ser gradualmente funcionales controlando varios parámetros de diseño, como el radio y el paso de las fibras que componen los puntales tejidos.

La autora principal, Molly Carton, ex investigadora postdoctoral en el laboratorio de Portela y ahora profesora asistente de investigación en ingeniería mecánica en la Universidad de Maryland, explicó que el marco permite que estos metamateriales se adapten para ser más suaves en un lugar y más rígidos en otro, o para cambiar de forma al estirarse. Esta capacidad posibilita una gama excepcional de comportamientos que serían difíciles de diseñar usando materiales blandos convencionales.

El marco de simulación también permite a los usuarios predecir la respuesta a la deformación de estos materiales, capturando fenómenos complejos como el auto-contacto dentro de las fibras y el enredo. Esta capacidad predictiva permite diseñar materiales que pueden resistir patrones de deformación o desgarro.

Portela expresó entusiasmo por la capacidad de personalizar la falla en estos materiales y diseñar combinaciones arbitrarias. Basándose en simulaciones, el equipo pudo fabricar geometrías con variaciones espaciales y realizar experimentos 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. Demuestra que al ajustar parámetros geométricos, los usuarios pueden controlar y predecir cómo estos materiales se deformarán y fallarán. La investigación presenta varios nuevos bloques de construcción de diseño que amplían sustancialmente el espacio de propiedades de los metamateriales tejidos.

Carton cree que el marco será útil en muchas disciplinas. Al lanzar este marco como una herramienta de software, el equipo espera que otros investigadores exploren las posibilidades usando redes tejidas y encuentren nuevas formas de aprovechar esta flexibilidad de diseño. Ella espera con interés ver las oportunidades que este trabajo puede abrir.