Con la nueva interfaz fácil de usar, los investigadores pueden diseñar rápidamente muchas estructuras de metamateriales celulares con propiedades mecánicas únicas. Los ingenieros buscan constantemente materiales con combinaciones de propiedades novedosas y deseables. Por ejemplo, se podrían usar materiales livianos ultrarresistentes para hacer que los aviones y los automóviles consuman menos combustible, o se podrían usar materiales porosos y biomecánicamente amigables en implantes óseos.
Los metamateriales celulares (estructuras artificiales compuestas de unidades o células que se repiten en varios patrones) podrían ayudar a lograr estos objetivos. Pero es difícil saber qué estructura celular producirá las propiedades deseadas. Incluso si nos centramos en estructuras que constan de miembros más pequeños, como vigas o láminas interconectadas, existen innumerables disposiciones posibles a considerar. Como resultado, los ingenieros sólo pueden explorar manualmente una fracción de todos los metamateriales celulares hipotéticamente posibles.
Investigadores del MIT y el Instituto Austriaco de Ciencia y Tecnología han desarrollado una técnica informática que facilita a los usuarios diseñar rápidamente unidades de metamaterial a partir de cualquier bloque de construcción más pequeño y luego evaluar las propiedades del metamaterial resultante.
Su enfoque funciona como un sistema CAD (diseño asistido por computadora) especializado para metamateriales, lo que permite a los ingenieros modelar rápidamente metamateriales muy complejos y experimentar con diseños que pueden tardar días en desarrollarse. La interfaz fácil de usar también permite a los usuarios explorar todo el espacio de posibles formas de metamateriales, ya que todos los componentes básicos están disponibles.
"Se nos ocurrió una representación que cubre todas las diferentes formas que tradicionalmente interesan a los ingenieros. Debido a que puedes construirlas todas de la misma manera, eso significa que puedes cambiar entre ellas de manera más fluida", dijo Liane Makatura, estudiante graduada en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación del MIT, coautora principal del artículo técnico.
Makatura fue coautor del artículo con el postdoctorado del MIT Bohan Wang. Yi-Lu Chen, estudiante de posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA); Bolei Deng, postdoctorado en el MIT; los profesores de ISTA Chris Wojtan y Bernd Bickel; y el autor principal Wojciech Matusik, profesor de ingeniería eléctrica e informática en el MIT que dirige el Grupo de Diseño y Fabricación Computacional en el Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT. La investigación será presentada en SIGGRAPH.
enfoque unificado
Cuando un científico desarrolla un metamaterial celular, normalmente primero selecciona una representación que describirá su diseño potencial. Esta selección determina el conjunto de formas disponibles para la exploración. Por ejemplo, podría elegir una técnica que utilice muchos haces interconectados para representar el metamaterial. Sin embargo, esto le impidió explorar metamateriales basados en otros elementos, como placas delgadas o estructuras 3D como esferas. Estas formas vienen dadas por diferentes representaciones, pero hasta ahora no existe una forma unificada de describir todas las formas de una sola manera.
"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 puede que valga la pena explorar algunas otras formas para su aplicación particular", dijo Makatura.
Ella y sus colaboradores dieron un paso atrás y observaron más de cerca diferentes metamateriales. Descubrieron que las formas que conforman la estructura general se pueden representar fácilmente mediante formas de baja dimensión: las vigas se pueden reducir a líneas o las delgadas capas se pueden comprimir en superficies planas.
También señalan que los metamateriales celulares suelen tener simetrías, por lo que sólo es necesario representar una pequeña parte de la estructura. El resto se puede construir girando y reflejando la pieza inicial. "Al combinar estas dos observaciones, llegamos a la idea de que los metamateriales celulares pueden representarse bien como estructuras gráficas", dijo.
A través de una representación basada en gráficos, los usuarios pueden construir esqueletos de metamateriales utilizando bloques de construcción creados a partir de vértices y aristas. Por ejemplo, para crear una estructura de viga, coloca un vértice en cada extremo de la viga y los conecta con una línea. Luego, el usuario usa la función en esta 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 es similar para las superficies: el usuario marca las características más importantes con vértices y luego selecciona un solucionador para inferir el resto de la superficie. Estos solucionadores fáciles de usar incluso permiten a los usuarios construir rápidamente metamateriales altamente complejos llamados superficies mínimas tripiódicas (TPMS). Estas estructuras son muy poderosas, pero el proceso habitual de desarrollarlas es arduo y propenso al fracaso.
"Con nuestra demostración, también se pueden empezar a combinar estas formas. Quizás las células que contienen tanto estructuras TPMS como estructuras de vigas podrían proporcionar propiedades interesantes. Pero hasta ahora, estas combinaciones no se han explorado en ningún grado", dijo.
Al final del proceso, el sistema genera todo el proceso basado en gráficos, mostrando cada acción que realizó el usuario para llegar a la estructura final: todos los vértices, aristas, solucionadores, transformaciones y operaciones de engrosamiento.
En la interfaz de usuario, los diseñadores pueden obtener una vista previa de la estructura actual en cualquier momento durante el proceso de construcción y predecir directamente ciertas propiedades, como su rigidez. Luego, el usuario puede ajustar de forma iterativa algunos parámetros y evaluar nuevamente hasta lograr un diseño adecuado.
Los investigadores utilizaron su sistema para recrear la estructura de metamateriales en muchas clases únicas. Una vez que diseñan el esqueleto, cada estructura metamaterial tarda solo unos segundos en generarse.
También crearon algoritmos de exploración automatizados, dando a cada algoritmo un conjunto de reglas y luego dejándolas libres en su sistema. En una prueba, el algoritmo arrojó más de 1.000 estructuras potenciales basadas en armaduras en aproximadamente una hora.
Además, los investigadores llevaron a cabo un estudio de usuarios con 10 personas con poca o ninguna experiencia en el modelado de metamateriales. Los usuarios pudieron modelar con éxito las seis estructuras que se les proporcionaron y la mayoría estuvo de acuerdo en que la representación del diagrama del programa facilitó el proceso.
"Nuestros representantes hacen que una variedad de estructuras sean más accesibles. Estamos particularmente satisfechos con la capacidad de los usuarios para generar TPMS. Estas estructuras complejas a menudo son difíciles de generar, incluso para los expertos. Sin embargo, uno de los TPMS en nuestro estudio tuvo el tiempo promedio de modelado más bajo de las seis estructuras, lo cual es sorprendente y emocionante", dijo.
En el futuro, los investigadores esperan mejorar su técnica incorporando procedimientos de engrosamiento óseo más complejos para que el sistema pueda simular una gama más amplia de formas. También quieren seguir explorando el uso de algoritmos generados automáticamente.
A largo plazo, esperan utilizar el sistema para realizar ingeniería inversa, donde se especifican las propiedades deseadas del material y luego se utilizan algoritmos para encontrar la estructura metamaterial óptima.