Cientistas criam uma lanterna magnética que se move como se estivesse viva
Os pesquisadores desenvolveram uma estrutura de polímero em forma de “lanterna chinesa” que pode rapidamente se transformar em mais de uma dúzia de formas curvas e tridimensionais quando é comprimida ou torcida. Esta transformação pode ser acionada e controlada remotamente com um campo magnético, abrindo possibilidades para uma ampla gama de utilizações práticas.
Para construir a lanterna, a equipe começou com uma fina folha de polímero cortada em um paralelogramo em forma de diamante. Eles então cortaram uma série de linhas espaçadas uniformemente no centro da folha, formando fitas paralelas conectadas por tiras sólidas de material na parte superior e inferior. Quando as extremidades destas tiras superior e inferior são unidas, a folha dobra-se naturalmente numa forma redonda, semelhante a uma lanterna.
“Esta forma básica é, por si só, biestável”, diz Jie Yin, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade Estadual da Carolina do Norte. “Em outras palavras, ele tem duas formas estáveis. É estável em seu formato de lanterna, é claro. Mas se você comprimir a estrutura, empurrando para baixo a partir do topo, ela começará a se deformar lentamente até atingir um ponto crítico, momento em que se encaixa em uma segunda forma estável que se assemelha a um pião. No formato de pião, a estrutura armazenou toda a energia que você usou para comprimi-la. Então, quando você começar a puxar a estrutura, você alcançará um ponto onde toda essa energia é liberada de uma só vez, fazendo com que ela volte ao formato de lanterna muito rapidamente.”
“Descobrimos que poderíamos criar muitas formas adicionais aplicando uma torção à forma, dobrando as tiras sólidas na parte superior ou inferior da lanterna para dentro ou para fora, ou qualquer combinação dessas coisas”, diz Yaoye Hong, primeiro autor do artigo e ex-Ph.D. estudante da NC State que agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Pensilvânia. “Cada uma dessas variações também é multiestável. Algumas podem alternar entre dois estados estáveis. Uma delas tem quatro estados estáveis, dependendo se você está comprimindo a estrutura, torcendo a estrutura ou comprimindo e torcendo a estrutura simultaneamente.”
Os pesquisadores também deram controle magnético às lanternas, anexando uma fina película magnética à faixa inferior. Isso lhes permitiu torcer ou comprimir remotamente as estruturas usando um campo magnético. Eles demonstraram vários usos possíveis para o projeto, incluindo uma pinça magnética suave que pode capturar e soltar peixes sem causar danos, um filtro de controle de fluxo que abre e fecha debaixo d’água e um formato compacto que se estende repentinamente para cima para reabrir um tubo colapsado. Um vídeo do experimento está disponível abaixo do artigo.
Para melhor compreender e prever o comportamento da lanterna, a equipe também criou um modelo matemático que mostra como a geometria de cada ângulo afeta tanto a forma final quanto a quantidade de energia elástica armazenada em cada configuração estável.
“Este modelo permite-nos programar a forma que queremos criar, quão estável ela é e quão poderosa pode ser quando a energia potencial armazenada se transforma em energia cinética”, diz Hong. “E todas essas coisas são essenciais para a criação de formas que possam executar as aplicações desejadas.”
“No futuro, essas unidades de lanterna podem ser montadas em arquiteturas 2D e 3D para amplas aplicações em metamateriais mecânicos e robótica que mudam de forma”, diz Yin. “Estaremos explorando isso.”
O artigo, “Morfogênese de encaixe reprogramável em metaunidades independentes de cluster de fita por meio de energia elástica armazenada”, foi publicado em 10 de outubro na revista Materiais da Natureza. O artigo foi coautor de Caizhi Zhou e Haitao Qing, ambos Ph.D. estudantes da NC State; e por Yinding Chi, ex-Ph.D. estudante da NC State que agora é pesquisador de pós-doutorado na Penn.
Este trabalho foi realizado com o apoio da National Science Foundation sob as doações 2005374, 2369274 e 2445551.
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