A cesta pré -histórica inspira novos materiais para robôs rígidos e resilientes

Capaz de sofrer compressões repetidas sem perder a forma, os materiais tecidos podem formar robôs, exoesqueletos, peças de carro, componentes arquitetônicos e muito mais.

Com base na arte pré -histórica da cesta, os engenheiros da Universidade de Michigan descobriram que os materiais tecidos retornam à sua forma original após repetidos ciclos de forte compressão, enquanto folhas contínuas do mesmo material se deformam permanentemente.

A plataforma modular para montar cantos de tecido, apresentados em Pesquisa de revisão físicapoderia ser usado em qualquer aplicação em que a resiliência e a rigidez sejam essenciais, incluindo robótica macia, peças de carro e componentes arquitetônicos.

Depois que o principal autor Guowei Wayne Tu, um estudante de doutorado de engenharia civil e ambiental da UM, se deparou com um artigo que namorou cestas de tecido para cerca de 7500 aC, os pesquisadores se perguntaram se o antigo ofício persiste hoje por razões além da geometria e da estética.

“Sabíamos que a tecelagem é uma maneira eficaz de criar formas 3D a partir de fitas como Reed e Bark, mas suspeitamos que também deva haver vantagens mecânicas subjacentes”, disse Evgueni Filipov, professor associado de engenharia civil e ambiental e engenharia mecânica da UM e autor correspondente do estudo.

O estudo descobriu essas vantagens mecânicas: alta rigidez para suportar a carga e resiliência para uso a longo prazo.

“Estou muito empolgado em aproveitar os benefícios da cesta antiga que tece para as modernas aplicações de engenharia do século XXI”, acrescentou Filipov. “Por exemplo, materiais leves leves para robótica também ajudariam os seres humanos a permanecerem mais seguros no caso de colisões humanas-robôs”.

Para testar as propriedades mecânicas, a equipe de pesquisa montou estruturas tecendo fitas de poliéster Mylar, sobre a largura de um dedo mindinho e a espessura de duas folhas de papel de cópia, organizadas perpendicularmente uma à outra. Eles formaram esse tecido 2D em um metamaterial 3D – que significa um material compósito sintético com uma estrutura que cria propriedades físicas não encontradas em materiais naturais.

“Embora os metamateriais modernos sejam frequentemente projetados para propriedades eletromagnéticas, ópticas ou acústicas, as pessoas têm produzido metamateriais mecânicos através da tecelagem e outras abordagens estruturais para Milênia”, disse Tu.

As estruturas usaram quatro arranjos diferentes de canto que reuniram três, quatro, cinco e seis aviões. Para comparação, a equipe montou as mesmas estruturas com Mylar contínuo e não projetado. Eles então testaram os dois tipos esmagando -os progressivamente.

Um par de caixas retangulares com 17 cm de altura, retornou à sua forma original depois de ser comprimido por um centímetro. Quando comprimido mais, a estrutura contínua foi danificada permanentemente, enquanto a estrutura do tecido permaneceu inalterada, mesmo depois de ser comprimida em 14 cm, para menos de 20% de sua altura original.

As varreduras 3D de alta resolução identificaram pontos na estrutura contínua em que o estresse concentrado fez com que o material se dobrasse e se deforme. A estrutura do tecido redistribui a tensão em uma área mais ampla, evitando danos permanentes.

Em seguida, a equipe de pesquisa investigou a rigidez, medida por quanta força é necessária para comprimir estruturas do topo ou dobrá -las com um empurrão ao lado.

Eles testaram todas as quatro estruturas de canto contra estruturas contínuas do mesmo poliéster Mylar. Em todos os experimentos, os materiais tecidos foram 70% tão rígidos quanto seus colegas contínuos – distribuindo o equívoco de que os sistemas tecidos são inerentemente flexíveis.

Ao testar configurações mais complexas, uma estrutura em forma de L destinada a se parecer com um braço de robô suportou 80 vezes o seu peso verticalmente-como segurar uma bolsa pesada no nível da cintura-e facilmente flexionada para cima, como faria um braço humano.

Um protótipo de robô tecido com quatro pernas que os pesquisadores chamam de cão manteve 25 vezes seu peso e ainda podiam mover as pernas para caminhar. Quando sobrecarregado, o robô de cachorro tecido retornou à sua forma original, capaz de manter o mesmo peso novamente.

“Com esses poucos módulos fundamentais em forma de canto, podemos projetar e fabricar facilmente superfícies e sistemas estruturais que possuem geometrias espaciais complexas e são rígidas e resilientes. Há muito mais potencial de como poderíamos usar essas estruturas de tecido baseadas em canto para o design de engenharia futura”, disse Tu.

Como uma dessas aplicações, os pesquisadores projetaram um conceito para um exoesqueleto de tecido que adapta a rigidez para diferentes partes do corpo humano – permitindo o movimento enquanto fornece absorção de choque reutilizável.

“No futuro, queremos integrar materiais eletrônicos ativos nessas estruturas de tecido para que possam ser sistemas” inteligentes “que podem sentir o ambiente externo e transformar suas formas em resposta a diferentes cenários de aplicação”, disse Filipov.