Simplificando el proceso de construcción para materiales complejos

Los científicos pueden diseñar rápidamente muchas estructuras de metamateriales celulares que tienen propiedades mecánicas únicas.

Los metamateriales son estructuras de interés desde hace mucho tiempo, ya que inducen propiedades materiales que difieren de las de sus materiales base constituyentes. Los metamateriales a menudo exhiben comportamientos que no se encuentran en la naturaleza, como comportamientos sintonizables, quirales, auxéticos y no recíprocos.

El comportamiento de un metamaterial determinado se rige principalmente por su arquitectura celular, que es la disposición espacial regular o aleatoria de regiones sólidas y vacíos utilizados para llenar un volumen designado. Pero es difícil saber qué estructura celular conducirá a las propiedades deseadas. Por lo tanto, los ingenieros pueden explorar manualmente sólo una pequeña fracción de todos los metamateriales celulares que son hipotéticamente posibles.

Un método computacional creado por investigadores del MIT y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria simplifica a los usuarios diseñar rápidamente una celda de metamaterial a partir de cualquiera de esos componentes de construcción más pequeños y luego evaluar las propiedades del metamaterial terminado.

Su método, similar a un sistema especializado de diseño asistido por computadora (CAD) para metamateriales, permite a un ingeniero modelar rápidamente incluso metamateriales muy complicados y experimentar con diseños que de otro modo podrían haber tardado días en construirse. Dado que todos los elementos de construcción necesarios están disponibles para el usuario, también puede explorar todo el espacio de posibles formas metamateriales gracias a la interfaz fácil de usar.

Liane Makatura, estudiante graduada en ingeniería eléctrica e informática del MIT, dijo: “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, puedes cambiar entre ellas más fluidamente.”

Al desarrollar metamateriales celulares, los científicos normalmente comienzan eligiendo una representación que describa los diseños potenciales. Esta elección determina el conjunto de formas que estarán disponibles para la exploración.

Sin embargo, esto les impide explorar metamateriales basados ​​en otros elementos, como placas delgadas o estructuras 3D como esferas. Estas formas se proporcionan a través de varias representaciones, pero aún no existe un enfoque único que pueda usarse para describir todas las formas.

Makatura dijo: “Al elegir un subespacio específico de antemano, 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 otras formas para su aplicación particular”.

Los científicos dieron un paso atrás y observaron cuidadosamente diferentes metamateriales. Vieron que las formas de dimensiones inferiores podían describir las formas que conforman la estructura general; por ejemplo, una viga podría reducirse a una línea o una capa delgada a una superficie plana.

También observaron que los metamateriales celulares contienen frecuentemente simetrías, lo que requiere la representación de sólo una pequeña porción de toda la estructura. El resto se puede montar girando y reflejando el primer componente.

Combinando estas dos observaciones, a los científicos se les ocurrió la idea de que los metamateriales celulares podrían representarse bien como una estructura gráfica.

Los usuarios construyen un esqueleto metamaterial utilizando su representación basada en gráficos utilizando vértices y bloques de construcción de bordes. Por ejemplo, se coloca un vértice en cada punto final de la viga y se conectan con una línea para construir una estructura de viga.

Luego, el espesor de la viga se especifica utilizando una función sobre esa línea, que el usuario puede ajustar de modo que diferentes partes de la viga tengan diferentes espesores.

Se aplican pasos similares cuando se trata de superficies; Primero, el usuario marca los vértices de las características más cruciales antes de seleccionar una solución que infiera el resto de la superficie.

Los usuarios también pueden construir rápidamente una superficie mínima triplemente periódica (TPMS), un tipo de metamaterial muy complejo, utilizando estos solucionadores fáciles de usar. Estas estructuras son extraordinariamente fuertes, pero su desarrollo típico podría ser más complejo y propenso a errores.

Makatura dijo: “También puedes empezar a combinar estas formas con nuestra representación. Quizás una celda unitaria que contenga una estructura TPMS y una estructura de viga podría brindarle propiedades interesantes. Pero hasta ahora, esas combinaciones no se han explorado en ningún grado”.

El sistema genera el enfoque completo basado en gráficos, incluidos todos los vértices, aristas, solucionadores, transformaciones y operaciones de engrosamiento que el usuario utilizó para llegar a la estructura final.

Los diseñadores pueden obtener una vista previa de la estructura actual en cualquier etapa de la construcción y pronosticar inmediatamente características específicas, como la rigidez, dentro de la interfaz de usuario. Una vez que se encuentra un diseño aceptable, el usuario puede ajustar iterativamente varios parámetros y reevaluar el resultado.

Utilizando su sistema, los científicos recrearon estructuras que abarcaban muchas clases únicas de metamateriales. Después de diseñar los esqueletos, cada metamaterial se generó en unos pocos segundos.

Además, desarrollaron algoritmos de exploración automática, dándole a cada uno un conjunto de pautas antes de lanzarlo a su sistema. Un programa informático arrojó más de 1.000 posibles construcciones basadas en armaduras en un experimento en aproximadamente una hora.

El equipo también llevó a cabo un estudio de usuario con diez personas con experiencia previa mínima en modelado con metamateriales. Los usuarios pudieron modelar con éxito las seis estructuras ofrecidas y la mayoría de ellos pensó que la representación gráfica de procedimientos facilitó la tarea.

Makatura afirmó: “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. Aun así, un TPMS de nuestro estudio tuvo el tiempo promedio de modelado más bajo de las seis estructuras, lo cual fue sorprendente y emocionante”.

En el futuro, a los científicos les gustaría mejorar su técnica incluyendo procedimientos de engrosamiento del esqueleto más complejos para que el sistema pueda modelar una variedad más amplia de formas. También quieren seguir explorando el uso de algoritmos de generación automática.

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