Gli ingeneri del MIT hanno sviluppato un nuovo framework che supporta la progettazione e la fabbricazione di materiali flessibili, come tessuti stampabili e schiume funzionali, consentendo agli utenti di prevedere deformazioni e guasti dei materiali.
Una nuova ricerca del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT introduce un framework di progettazione computazionale per supportare la creazione di una nuova classe di metamateriali morbidi, flessibili e deformabili. Questi materiali trovano applicazione in sensori indossabili, che si muovono con la pelle umana, tessuti per applicazioni aerospaziali o di difesa, dispositivi elettronici flessibili e una varietà di altri tessuti stampabili. Denominati metamateriali tessuti in 3D, i metamateriali sono costituiti da blocchi composti da fibre intrecciate che si autocontattano e si aggrovigliano per conferire al materiale proprietà uniche.
“I materiali morbidi sono necessari per le sfide ingegneristiche emergenti in settori come la robotica morbida, i dispositivi biomedici o persino per dispositivi indossabili e tessuti funzionali” spiega Carlos Portela, docente Robert N. Noyce Career Development e professore associato di ingegneria meccanica.
I metamateriali, materiali le cui proprietà sono determinate principalmente dalla loro microstruttura interna e non dalla loro composizione chimica, hanno ridefinito il settore dei materiali ingegneristici nell’ultimo decennio. Finora, tuttavia, la maggior parte dei metamateriali erano opzioni leggere progettate per garantire rigidità e resistenza.
In un articolo open access pubblicato il 26 gennaio sulla rivista Nature Communications, i ricercatori del MIT hanno sviluppato una struttura di progettazione universale che genera metamateriali tessuti 3D complessi con un’ampia gamma di proprietà. Il lavoro fornisce anche un codice open source che consente agli utenti di creare progetti in base alle specifiche e di generare un file per la stampa o la simulazione del materiale utilizzando una stampante 3D.
Il team ha sviluppato regole di progettazione generali, sotto forma di algoritmo, che forniscono innanzitutto una rappresentazione grafica del metamateriale. Gli attributi di questo grafico determinano infine il posizionamento e la connessione di ciascuna fibra all’interno del metamateriale.
“Poiché questa struttura consente a questi metamateriali di essere adattati per essere più morbidi in un punto e più rigidi in un altro, o di cambiare forma durante l’allungamento, possono mostrare una gamma eccezionale di comportamenti che sarebbero difficili da progettare utilizzando materiali morbidi convenzionali”, afferma Molly Carton, autrice principale dello studio. Carton, ex postdoc nel laboratorio di Portela, è ora professore associato di ricerca in ingegneria meccanica presso l’Università del Maryland.
Inoltre, il framework di simulazione consente agli utenti di prevedere la risposta alla deformazione di questi materiali, catturando fenomeni complessi come l’autocontatto all’interno delle fibre e l’entanglement, e di progettare per prevedere e resistere a deformazioni o rotture.
“L’aspetto più entusiasmante è stata la possibilità di personalizzare il cedimento di questi materiali e progettare combinazioni arbitrarie. Sulla base delle simulazioni, siamo stati in grado di fabbricare queste geometrie spazialmente variabili e di sperimentarle su scala microscopica” continua Portela.
Carton afferma di credere che la struttura sarà utile in molte discipline. “Rilasciando questo framework come strumento software, la nostra speranza è che altri ricercatori esplorino le possibilità offerte dai reticoli intrecciati e trovino nuovi modi per sfruttare questa flessibilità di progettazione. Non vedo l’ora di vedere quali porte il nostro lavoro potrà aprire.”
Foto: courtesy dei ricercatori
