Metamateriais impressos em 3D esticam e falham por design

Framework computacional do MIT permite projetar metamateriais 3D tecíveis, macios, conformáveis e deformáveis, formados por blocos de fibras que se entrelaçam e se tocam.
O software é open source e fornece designs, arquivo para impressão e simulação para impressão 3D.
Possíveis aplicações incluem sensores vestíveis, têxteis funcionais para aviação e defesa, dispositivos eletrônicos flexíveis e têxteis imprimíveis.
O método usa regras de design em forma de algoritmo, que gera uma representação gráfica dos metamateriais e permite controlar propriedades por meio de parâmetros das fibras.
A framework permite prever deformação e padrões de rasgo, inclusive falha, e possibilita criar geometrias com comportamento diferente em distintos pontos.

O MIT apresentou um novo framework computacional para criar metamateriais macios, compatíveis com impressão 3D, como têxteis funcionais e espumas. O objetivo é prever deformação e falha do material, indo além das opções leves de maior rigidez.

Os pesquisados trabalham com metamateriais 3D tecidos, formados por blocos de fibras entrelaçadas que se tocam e se enroscam. O estudo foi publicado em Nature Communications em 26 de janeiro, com acesso aberto.

O projeto envolve Carlos Portela, professor associado de engenharia mecânica, e Molly Carton, autora principal. A equipe também incluiu colaboradores de MIT e da University of Maryland. A pesquisa fornece código-fonte aberto para projetar, imprimir ou simular os materiais.

Estrutura e aplicações

O framework apresenta regras gerais em forma de algoritmo, que representam o metamaterial como um grafo. A disposição das fibras dentro das unidades entrelaçadas determina o comportamento do conjunto, com capacidade de variação de rigidez local.

As unidades básicas podem ser gradualmente ajustadas por parâmetros como raio e passo das fibras, permitindo variações de maleabilidade e forma durante o alongamento. O objetivo é controlar danos e padrões de rasgo.

Além de descrever as geometrias, o framework permite prever a resposta sob deformação, incluindo auto-contato entre fibras e entrelaçamento. Isso facilita o design dirigido para evitar falhas ou promover padrões específicos.

Possíveis impactos

Segundo Portela, a ferramenta possibilita adaptar materiais para serem mais macios em áreas específicas ou mudarem de forma conforme o alongamento. Aplicações citadas incluem sensores vestíveis, têxteis para aeroespacial e dispositivos eletrônicos flexíveis.

Carton destaca que o framework libera o design de malhas 3D antes restrito a padrões manuais. A equipe espera que pesquisadores de várias áreas usem a ferramenta para explorar novas possibilidades com malhas entrelaçadas.

O estudo, intitulado Design framework for programmable three-dimensional woven metamaterials, está disponível na Nature Communications. Autores associados ao MIT incluem James Utama Surjadi, Bastien F. G. Aymon e Ling Xu.