Semplificazione del processo di costruzione per materiali complessi

Gli scienziati possono progettare rapidamente molte strutture metamateriali cellulari che hanno proprietà meccaniche uniche.

I metamateriali sono strutture di interesse di lunga data, poiché inducono proprietà materiali che differiscono da quelle dei materiali di base costituenti. I metamateriali spesso mostrano comportamenti non presenti in natura, come comportamenti sintonizzabili, chirali, auxetici e non reciproci.

Il comportamento di un dato metamateriale è governato principalmente dalla sua architettura cellulare, che è la disposizione spaziale regolare o casuale di regioni solide e vuote utilizzate per riempire un volume designato. Ma sapere quale struttura cellulare porterà alle proprietà desiderate è difficile. Pertanto, gli ingegneri possono esplorare manualmente solo una piccola frazione di tutti i metamateriali cellulari ipoteticamente possibili.

Un metodo computazionale creato dai ricercatori del MIT e dell’Istituto di Scienza e Tecnologia Austria rende più semplice per gli utenti progettare rapidamente una cella di metamateriale da uno qualsiasi di questi componenti edilizi più piccoli e quindi valutare le proprietà del metamateriale finito.

Il loro metodo, simile a un sistema specializzato di progettazione assistita da computer (CAD) per metamateriali, consente a un ingegnere di modellare rapidamente anche metamateriali molto complicati e di sperimentare progetti che altrimenti avrebbero richiesto giorni per essere costruiti. Poiché tutti gli elementi costruttivi necessari sono a disposizione dell'utente, grazie all'interfaccia user-friendly può anche esplorare l'intero spazio delle potenziali forme metamateriali.

Liane Makatura, studentessa laureata in ingegneria elettrica e informatica del MIT, ha dichiarato: "Abbiamo creato una rappresentazione in grado di coprire tutte le diverse forme per le quali gli ingegneri hanno tradizionalmente mostrato interesse. Poiché puoi costruirle tutte allo stesso modo, puoi passare da una all'altra più facilmente." fluidamente."

Durante lo sviluppo dei metamateriali cellulari, gli scienziati normalmente iniziano scegliendo una rappresentazione che descriva i potenziali progetti. Questa scelta determina l'insieme di forme che saranno disponibili per l'esplorazione.

Tuttavia, ciò impedisce loro di esplorare metamateriali basati su altri elementi, come piastre sottili o strutture 3D come sfere. Queste forme vengono fornite tramite varie rappresentazioni, ma non esiste ancora un unico approccio che possa essere utilizzato per descrivere tutte le forme.

Makatura ha detto: “Scegliendo in anticipo un sottospazio specifico, limiti la tua esplorazione e introduci un pregiudizio basato sulla tua intuizione. Sebbene ciò possa essere utile, l’intuizione può essere errata e potrebbe valere la pena esplorare anche altre forme per la tua particolare applicazione.

Gli scienziati hanno fatto un passo indietro e hanno osservato attentamente diversi metamateriali. Hanno visto che le forme di dimensione inferiore potrebbero descrivere le forme che compongono la struttura complessiva; ad esempio, una trave potrebbe essere ridotta a una linea o un guscio sottile a una superficie piana.

Hanno inoltre osservato che i metamateriali cellulari spesso contengono simmetrie, rendendo necessaria la rappresentazione solo di una piccola porzione dell'intera struttura. Il resto può essere assemblato ruotando e specchiando il primo componente.

Combinando queste due osservazioni, gli scienziati hanno avuto l'idea che i metamateriali cellulari potrebbero essere ben rappresentati come una struttura grafica.

Gli utenti costruiscono uno scheletro metamateriale utilizzando la loro rappresentazione basata su grafici utilizzando vertici e blocchi di costruzione dei bordi. Ad esempio, si posiziona un vertice su ciascun punto finale della trave e li si collega con una linea per costruire una struttura a trave.

Lo spessore della trave viene quindi specificato utilizzando una funzione su quella linea, che l'utente può regolare in modo tale che le diverse parti della trave abbiano spessori diversi.

Passaggi simili si applicano quando si ha a che fare con le superfici; in primo luogo, l'utente contrassegna i vertici delle caratteristiche più cruciali prima di selezionare una soluzione che deduca il resto della superficie.

Gli utenti possono anche costruire rapidamente una superficie minima tripla periodica (TPMS), un tipo di metamateriale altamente complesso, utilizzando questi solutori semplici da usare. Queste strutture sono straordinariamente forti, ma il loro sviluppo tipico potrebbe essere più complesso e soggetto a errori.