Un nuevo método simplifica el proceso de construcción de materiales complejos

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Los ingenieros buscan constantemente materiales con combinaciones de propiedades novedosas y deseables. Por ejemplo, se podría utilizar un material ultrarresistente y liviano para hacer que los aviones y los automóviles consuman menos combustible, o un material que sea poroso y biomecánicamente amigable podría ser útil para implantes óseos.

Los metamateriales celulares (estructuras artificiales compuestas de unidades o células que se repiten en varios patrones) pueden ayudar a lograr estos objetivos. Pero es difícil saber qué estructura celular conducirá a las propiedades deseadas. Incluso si nos centramos en estructuras hechas de bloques de construcción más pequeños, como vigas interconectadas o placas delgadas, hay un número infinito de disposiciones posibles a considerar. Por lo tanto, los ingenieros pueden explorar manualmente sólo una pequeña fracción de todos los metamateriales celulares que son hipotéticamente posibles.

Investigadores del MIT y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria han desarrollado una técnica computacional que facilita al usuario diseñar rápidamente una célula metamaterial a partir de cualquiera de esos bloques de construcción más pequeños y luego evaluar las propiedades del metamaterial resultante.

Su enfoque, como un sistema CAD (diseño asistido por computadora) especializado para metamateriales, permite a un ingeniero modelar rápidamente incluso metamateriales muy complejos y experimentar con diseños que de otro modo habrían tardado días en desarrollarse. La interfaz fácil de usar también permite al usuario explorar todo el espacio de posibles formas metamateriales, ya que todos los componentes básicos están a su disposición.

"Se nos ocurrió una representación que puede cubrir todas las diferentes formas en las que los ingenieros han mostrado tradicionalmente interés. Como puedes construirlas todas de la misma manera, eso significa que puedes cambiar entre ellas de manera más fluida", dice Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT. La estudiante de posgrado Liane Makatura, coautora principal de un artículo sobre esta técnica.

Makatura escribió el artículo con el coautor principal Bohan Wang, un postdoctorado del MIT; Yi-Lu Chen, estudiante de posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA); Bolei Deng, postdoctorado del MIT; Chris Wojtan y Bernd Bickel, profesores de ISTA; y el autor principal Wojciech Matusik, profesor de ingeniería eléctrica e informática en el MIT que dirige el Grupo de Fabricación y Diseño Computacional dentro del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT. La investigación será presentada en SIGGRAPH.

Un método unificado

Cuando un científico desarrolla un metamaterial celular, normalmente comienza eligiendo una representación que se utilizará para describir sus diseños potenciales. Esta elección determina el conjunto de formas que estarán disponibles para la exploración.

Por ejemplo, puede elegir una técnica que represente metamateriales utilizando muchos haces interconectados. Sin embargo, esto le impide explorar metamateriales basados ​​en otros elementos, como placas delgadas o estructuras 3D como esferas. Esas formas vienen dadas por diferentes representaciones, pero hasta ahora no ha habido una forma unificada de describir todas las formas en un solo método.

“Al elegir un subespacio específico con anticipación, limitas tu exploración e introduces un sesgo basado en tu intuición. Si bien esto puede ser útil, la intuición puede ser incorrecta y es posible que también valga la pena explorar algunas de las otras formas para su aplicación particular”, dice Makatura.

Ella y sus colaboradores dieron un paso atrás y examinaron de cerca diferentes metamateriales. Vieron que las formas que componen la estructura general podrían representarse fácilmente mediante formas de dimensiones inferiores: una viga podría reducirse a una línea o una capa delgada podría comprimirse hasta convertirse en una superficie plana.

También observaron 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 rotando y reflejando esa pieza inicial.

"Al combinar esas dos observaciones, llegamos a la idea de que los metamateriales celulares podrían representarse bien como una estructura gráfica", dice.

Con su representación basada en gráficos, un usuario construye un esqueleto metamaterial utilizando bloques de construcción creados por vértices y aristas. Por ejemplo, para crear una estructura de viga, se coloca un vértice en cada punto final de la viga y los conecta con una línea.

Luego, el usuario emplea una función sobre esa 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 para las superficies es similar: el usuario marca las características más importantes con vértices y luego elige un solucionador que infiere el resto de la superficie.

Estos solucionadores fáciles de usar incluso permiten a los usuarios construir rápidamente un tipo de metamaterial altamente complejo, llamado superficie mínima triplemente periódica (TPMS). Estas estructuras son increíblemente poderosas, pero el proceso habitual para desarrollarlas es arduo y propenso al fracaso.

“Con nuestra representación, también puedes empezar a combinar estas formas. Quizás una celda unitaria que contenga tanto una estructura TPMS como una estructura de viga podría brindarle propiedades interesantes. Pero hasta ahora, esas combinaciones realmente no se han explorado en ningún grado”, afirma.

Al final del proceso, el sistema genera todo el procedimiento basado en gráficos, mostrando cada operación que realizó el usuario para llegar a la estructura final: todos los vértices, aristas, solucionadores, transformaciones y operaciones de engrosamiento.

Dentro de la interfaz de usuario, los diseñadores pueden obtener una vista previa de la estructura actual en cualquier punto del proceso de construcción y predecir directamente ciertas propiedades, como su rigidez. Luego, el usuario puede modificar de forma iterativa algunos parámetros y evaluarlos nuevamente hasta alcanzar un diseño adecuado.

Un marco fácil de usar

Los investigadores utilizaron su sistema para recrear estructuras que abarcaban muchas clases únicas de metamateriales. Una vez que diseñaron los esqueletos, cada estructura metamaterial tardó sólo unos segundos en generarse.

También crearon algoritmos de exploración automatizados, dándole a cada uno un conjunto de reglas y luego introduciéndolas en su sistema. En una prueba, un 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 que tenían poca experiencia previa 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 gráfica de procedimientos facilitó el proceso.

“Nuestra representación hace que todo tipo de estructuras sean más accesibles para la gente. Estamos especialmente satisfechos con la capacidad de los usuarios para generar TPMS. Estas estructuras complejas suelen ser difíciles de generar incluso para los expertos. Aún así, un TPMS de nuestro estudio tuvo el tiempo promedio de modelado más bajo de las seis estructuras, lo cual fue sorprendente y emocionante”, dice.

En el futuro, los investigadores quieren mejorar su técnica incorporando procedimientos de engrosamiento del esqueleto más complejos, de modo que el sistema pueda modelar una variedad más amplia de formas. También quieren seguir explorando el uso de algoritmos de generación automática.

Y a largo plazo, les gustaría usar este sistema para el diseño inverso, donde se especificarían las propiedades del material deseadas y luego se usaría un algoritmo para encontrar la estructura metamaterial óptima.

Esta investigación está financiada, en parte, por una beca de investigación para graduados de la Fundación Nacional de Ciencias, la beca de diseño de la Academia Morningside del MIT, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), una beca de consolidación del ERC y el proyecto NewSat.

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