Inspirándose en los huesos y otros sólidos celulares de la naturaleza, los humanos han utilizado el mismo concepto para desarrollar materiales de construcción. Al cambiar la geometría de las células que componen estos materiales, los investigadores pueden adaptar las propiedades mecánicas, térmicas o acústicas del material. Los materiales de construcción se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde espuma para embalaje que absorbe los impactos hasta radiadores que regulan el calor.

Utilizando Kirigami, el arte japonés del kirigami y el origami, los investigadores del MIT han desarrollado materiales ligeros y ultrarresistentes con propiedades mecánicas ajustables como rigidez y flexibilidad. Estos materiales se pueden utilizar en aviones, automóviles o naves espaciales. Fuente de la imagen: proporcionada por investigadores.


Los investigadores del MIT modificaron un patrón de pliegue común en origami para que las puntas afiladas de la estructura corrugada se conviertan en facetas. Estas facetas, como las facetas de un diamante, proporcionan una superficie plana a la que la placa se puede fijar más fácilmente con pernos o remaches. Fuente de la imagen: proporcionada por investigadores.


Los investigadores del MIT han utilizado Kirigami, el antiguo arte japonés del origami y el kirigami, para crear un material estructural de alto rendimiento llamado celosía a una escala mucho más allá de lo que los científicos habían podido lograr anteriormente mediante la fabricación aditiva. Esta tecnología les permite crear estas estructuras a partir de metal u otros materiales con formas personalizadas y propiedades mecánicas especialmente adaptadas.

"Este material es como el corcho de acero. Es más liviano que el corcho pero tiene alta resistencia y rigidez", dijo el profesor Neil Gershenfeld, director del Centro de Bits y Átomos (CBA) del MIT y autor principal de un nuevo artículo sobre este enfoque.

Los investigadores desarrollaron un proceso de fabricación modular en el que muchas piezas más pequeñas se forman, doblan y ensamblan en formas tridimensionales. Utilizando este enfoque, crean estructuras y robots ultraligeros y ultrafuertes que pueden deformarse y mantener su forma bajo cargas específicas.


Los investigadores accionaron la estructura corrugada tensando cables de acero sobre superficies flexibles y luego conectándolos a un sistema de poleas y motores, permitiéndoles doblarse en cualquier dirección. Fuente de la imagen: proporcionada por investigadores.

Debido a que estas estructuras son livianas, fuertes, rígidas y relativamente fáciles de producir en masa, son particularmente útiles en componentes de construcción, aeronaves, automóviles o aeroespaciales.

También escriben el artículo con Gershenfeld los coautores principales, el asistente de investigación de la CBA Alfonso Parra Rubio y la estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática del MIT Klara Mundilova, así como el estudiante de posgrado de la CBA David Preiss y el profesor de informática del MIT Erik D. Demaine. Los resultados de la investigación se presentaron en la Conferencia de Información y Computadoras de Ingeniería de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos.

Los materiales estructurales como la celosía se utilizan a menudo como núcleo de un material compuesto conocido como estructura sándwich. Para imaginar una estructura tipo sándwich, imagine el ala de un avión, donde una serie de vigas diagonales que se cruzan forman un núcleo de celosía intercalado entre los paneles superior e inferior. Esta estructura de celosía tiene alta rigidez y resistencia pero es muy liviana.

Una celosía de paneles es una estructura alveolar compuesta de intersecciones tridimensionales de placas en lugar de vigas. La resistencia y rigidez de estas estructuras de alto rendimiento superan incluso a las de las celosías de celosía, pero debido a sus formas complejas, fabricarlas utilizando técnicas comunes como la impresión 3D es un desafío, especialmente en aplicaciones de ingeniería a gran escala.

Los investigadores del MIT superaron estos desafíos de fabricación utilizando papel tung, una técnica de doblar y cortar papel para crear formas 3D que se remonta a los artistas japoneses del siglo VII.


Los investigadores utilizaron su método para crear una estructura de aluminio con una resistencia a la compresión de más de 62 kilonewtons, pero que pesa sólo 90 kilogramos por metro cuadrado. Fuente de la imagen: proporcionada por investigadores.

Kirigami se ha utilizado para crear paneles utilizando pliegues en zigzag parcialmente doblados. Pero para hacer una estructura tipo sándwich, se deben unir láminas planas a la parte superior e inferior del núcleo corrugado y luego a los puntos estrechos creados por los pliegues en espiga. Esto a menudo requiere adhesivos fuertes o técnicas de soldadura, lo que hace que el montaje sea lento, costoso y difícil de escalar.

Los investigadores del MIT modificaron un patrón de pliegue común en origami para que las puntas afiladas de la estructura corrugada se conviertan en facetas. Estas facetas, como las facetas de un diamante, proporcionan una superficie plana sobre la que las placas se pueden fijar más fácilmente con pernos o remaches.

"Las celosías de placas superan a las de vigas en términos de resistencia y rigidez, mientras que el peso y la estructura interna se mantienen constantes", dijo ParraRubio. "Al utilizar litografía de dos fotones para la producción a nanoescala, la rigidez y la resistencia teóricas han alcanzado el límite superior H-S. Las redes de placas son muy difíciles de construir y, por lo tanto, han sido poco estudiadas a escala macro. Creemos que el plegado es una ruta para facilitar el uso de estructuras similares a placas hechas de metal".

Además, la forma en que los investigadores diseñaron, doblaron y cortaron los patrones les permitió ajustar ciertas propiedades mecánicas, como la rigidez, la resistencia y el módulo de flexión (la tendencia de un material a resistir la flexión). Codificaron esta información, junto con las formas tridimensionales, en mapas de pliegues, que utilizaron para crear estas ondas de papel gelatinoso.

Por ejemplo, dependiendo de cómo estén diseñados los pliegues, a algunas células se les puede dar forma para que conserven su forma cuando se comprimen, mientras que a otras se les puede modificar para que se doblen. De esta manera, los investigadores pueden controlar con precisión cómo se deforman las diferentes áreas de la estructura bajo compresión.

Debido a que se puede controlar la flexibilidad de la estructura, estas corrugaciones podrían usarse en robots u otras aplicaciones dinámicas con piezas móviles, torcidas y dobladas.

Para crear estructuras grandes como robots, los investigadores utilizan un proceso de ensamblaje modular. Producen en masa patrones de pliegues más pequeños y los ensamblan en estructuras tridimensionales ultraligeras y ultrafuertes. La estructura más pequeña tiene menos arrugas, lo que simplifica el proceso de fabricación.

Utilizando un patrón Miura-ori modificado, los investigadores crearon un patrón de pliegue que produce la forma y las propiedades estructurales deseadas. Luego utilizaron una máquina única, una mesa de corte Zund, para cortar láminas planas de metal y doblarlas en formas tridimensionales.

"Para fabricar productos como automóviles y aviones, es necesario invertir mucho en moldes. Este proceso de fabricación no requiere herramientas, como la impresión 3D. Pero a diferencia de la impresión 3D, nuestro proceso puede establecer los límites del registro de las propiedades del material", dijo Gershenfeld.

Utilizando su método, crearon una estructura de aluminio con una resistencia a la compresión de más de 62 kilonewtons pero que pesa sólo 90 kilogramos por metro cuadrado. (El corcho pesa alrededor de 100 kilogramos por metro cuadrado). Su estructura es muy fuerte y puede soportar tres veces la fuerza de las corrugaciones de aluminio comunes.

Esta tecnología versátil se puede utilizar en una amplia gama de materiales, incluidos acero y compuestos, lo que la hace ideal para producir componentes ligeros que absorban impactos para aviones, automóviles o naves espaciales.

Sin embargo, los investigadores descubrieron que su enfoque podría ser difícil de modelar. Por lo tanto, planean desarrollar herramientas de diseño CAD fáciles de usar para estas estructuras de cuadrícula en el futuro. Además, esperan explorar métodos para reducir el coste computacional de simular el rendimiento requerido por sus diseños.

Parra-Rubio, Mondilova y otros estudiantes graduados del MIT también utilizaron esta técnica para crear tres grandes obras de arte plegadas a partir de compuestos de aluminio, que se exhiben en el MIT Media Lab. Aunque cada pieza tiene varios metros de largo, las estructuras solo tardaron unas horas en crearse.

"En última instancia, la obra de arte sólo es posible gracias a las contribuciones matemáticas y de ingeniería que demostramos en nuestro artículo. Pero tampoco queremos perder de vista el poder estético de nuestro trabajo", dijo ParraRubio.