Una antigua forma de arte japonesa inspira materiales ligeros ultrafuertes

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El antiguo arte japonés de doblar y cortar papel llamado kirigami se ha utilizado en el pasado para desarrollar técnicas de impresión 3D, cintas removibles más resistentes e incluso revestimientos para zapatos. Sus aplicaciones han sido muchas, ya que inspira nuevas formas de hacer las cosas que dan como resultado productos superiores.

Ahora, los ingenieros del MIT han utilizado esta forma de arte para desarrollar un tipo de material ultrafuerte pero muy liviano de alto rendimiento conocido como red de placas, según un comunicado de prensa publicado el martes.

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

Utilizando un proceso de construcción modular que consiste en formar, plegar y ensamblar componentes más pequeños en formas 3D, los ingenieros pudieron producir celosías de placas.

Se trata de estructuras celulares compuestas de intersecciones tridimensionales de placas, en lugar de vigas, lo que las hace más fuertes y rígidas que las celosías de celosía.

Sin embargo, son muy complicados de fabricar utilizando técnicas comunes como la impresión 3D. Ahí es donde entró el kirigami.

Esta forma de arte se remonta al siglo VII y hasta ahora se ha utilizado con éxito para producir celosías de placas a partir de pliegues en zigzag parcialmente doblados. Los investigadores del MIT mejoraron aún más este proceso modificando un patrón de pliegue común del origami, conocido como patrón Miura-ori, de modo que las puntas afiladas de la estructura corrugada se transformen en facetas. Las facetas sirven como superficies planas a las que se pueden unir placas sin el uso de pernos o remaches. Esto permite la creación de estructuras tipo sándwich.

"Las celosías de placas superan a las celosías de vigas en resistencia y rigidez, manteniendo el mismo peso y estructura interna", dijo Parra Rubio, asistente de investigación en el CBA.

“Se ha demostrado que se ha alcanzado el límite superior HS de rigidez y resistencia teóricas mediante la producción a nanoescala utilizando litografía de dos fotones. La construcción de celosías de placas ha sido tan difícil que ha habido poca investigación a escala macro. Creemos que el plegado es un camino hacia una utilización más sencilla de este tipo de estructura de placas hecha de metales”.

El nuevo proceso también permite a los ingenieros controlar la rigidez, resistencia y módulo de flexión del nuevo material codificando estos datos en un mapa de plegado que se utiliza para crear las corrugaciones de kirigami.

Los investigadores incluso concibieron un proceso de ensamblaje modular conveniente para estructuras más grandes, utilizando una máquina única llamada mesa de corte Zund.

“Para fabricar cosas como automóviles y aviones, se invierte mucho en herramientas. Este proceso de fabricación se realiza sin herramientas, como la impresión 3D. Pero a diferencia de la impresión 3D, nuestro proceso puede establecer el límite para propiedades récord de los materiales”, dijo Gershenfeld.

Ahora los investigadores están trabajando en herramientas de diseño CAD fáciles de usar desarrolladas específicamente para estas estructuras inspiradas en kirigami. Hasta ahora, el equipo de ingenieros y estudiantes de posgrado ha utilizado su nuevo proceso para crear grandes obras de arte en aluminio actualmente expuestas en el MIT Media Lab.

“Al final del día, la pieza artística sólo es posible gracias a las contribuciones de matemáticas e ingeniería que mostramos en nuestros artículos. Pero no queremos ignorar el poder estético de nuestro trabajo”, dijo Rubio.

Las obras de arte tienen varios metros de largo, pero solo tardaron unas horas en realizarse gracias a la eficiencia del nuevo sistema.