Novo método simplifica o processo de construção para materiais complexos

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Os engenheiros estão constantemente em busca de materiais com combinações de propriedades novas e desejáveis. Por exemplo, um material ultra-forte e leve poderia ser usado para tornar aviões e carros mais eficientes em termos de combustível, ou um material poroso e biomecanicamente amigável poderia ser útil para implantes ósseos.

Os metamateriais celulares – estruturas artificiais compostas por unidades, ou células, que se repetem em vários padrões – podem ajudar a atingir estes objetivos. Mas é difícil saber qual estrutura celular levará às propriedades desejadas. Mesmo que nos concentremos em estruturas feitas de blocos de construção mais pequenos, como vigas interligadas ou placas finas, há um número infinito de arranjos possíveis a considerar. Assim, os engenheiros podem explorar manualmente apenas uma pequena fração de todos os metamateriais celulares que são hipoteticamente possíveis.

Pesquisadores do MIT e do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria desenvolveram uma técnica computacional que torna mais fácil para o usuário projetar rapidamente uma célula de metamaterial a partir de qualquer um desses blocos de construção menores e, em seguida, avaliar as propriedades do metamaterial resultante.

Sua abordagem, como um sistema CAD (projeto auxiliado por computador) especializado para metamateriais, permite que um engenheiro modele rapidamente até mesmo metamateriais muito complexos e experimente projetos que, de outra forma, levariam dias para serem desenvolvidos. A interface amigável também permite ao usuário explorar todo o espaço de possíveis formas de metamateriais, uma vez que todos os blocos de construção estão à sua disposição.

“Criamos uma representação que pode abranger todas as diferentes formas pelas quais os engenheiros tradicionalmente demonstram interesse. Como você pode construí-las todas da mesma maneira, isso significa que você pode alternar entre elas com mais fluidez”, diz engenharia elétrica e ciência da computação do MIT. a estudante de pós-graduação Liane Makatura, co-autora principal de um artigo sobre esta técnica.

Makatura escreveu o artigo com o co-autor Bohan Wang, um pós-doutorado do MIT; Yi-Lu Chen, estudante de pós-graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA); Bolei Deng, pós-doutorado do MIT; Chris Wojtan e Bernd Bickel, professores da ISTA; e o autor sênior Wojciech Matusik, professor de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT que lidera o Grupo de Design e Fabricação Computacional do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT. A pesquisa será apresentada no SIGGRAPH.

Um método unificado

Quando um cientista desenvolve um metamaterial celular, ele normalmente começa escolhendo uma representação que será usada para descrever seus projetos potenciais. Esta escolha determina o conjunto de formas que estarão disponíveis para exploração.

Por exemplo, ela pode escolher uma técnica que represente metamateriais usando muitos feixes interconectados. No entanto, isso a impede de explorar metamateriais baseados em outros elementos, como placas finas ou estruturas 3D como esferas. Essas formas são dadas por diferentes representações, mas até agora não houve uma maneira unificada de descrever todas as formas em um único método.

“Ao escolher um subespaço específico com antecedência, você limita sua exploração e introduz um viés baseado em sua intuição. Embora isso possa ser útil, a intuição pode estar incorreta e algumas das outras formas também podem ter valido a pena explorar para sua aplicação específica”, diz Makatura.

Ela e seus colaboradores deram um passo para trás e examinaram de perto diferentes metamateriais. Eles viram que as formas que compõem a estrutura geral poderiam ser facilmente representadas por formas de dimensões inferiores – uma viga poderia ser reduzida a uma linha ou uma casca fina poderia ser comprimida até uma superfície plana.