Un team del Virginia Tech guidato da Michael Bartlett, assistente professore di ingegneria meccanica, hanno usato gomma, metallo e temperatura per trasformare i materiali e fissarli in posizione senza motori o pulegge. Il lavoro del team è stato pubblicato su Science Robotics. I co-autori del documento includono gli studenti laureati Dohgyu Hwang e Edward J. Barron III e il ricercatore post-dottorato A.B.M. Tahidul Haque.
La natura è ricca di organismi che cambiano forma per svolgere funzioni diverse. Il polpo si rimodella drasticamente per muoversi, mangiare e interagire con il suo ambiente; gli esseri umani flettono i muscoli per sostenere i carichi e mantenere la forma; e le piante si muovono per catturare la luce solare durante il giorno.
"Quando abbiamo iniziato il progetto, volevamo un materiale che potesse fare tre cose: cambiare forma, mantenere quella forma, e poi tornare alla configurazione originale, e farlo per molti cicli", ha affermato Bartlett. Una delle sfide era quella di creare un materiale che fosse abbastanza morbido da cambiare radicalmente forma, ma abbastanza rigido da creare macchine adattabili in grado di svolgere funzioni diverse".
Per creare una struttura che potesse essere trasformata, il team si è rivolto al kirigami, l'arte giapponese di creare forme con la carta tagliando. (Questo metodo differisce dall'origami, che utilizza la piegatura.) Osservando la forza di quei modelli kirigami in gomme e compositi, il team è stato in grado di creare un'architettura materica di un motivo geometrico ripetuto.
Successivamente, avevano bisogno di un materiale che mantenesse la forma ma consentisse di cancellare quella forma su richiesta. Quindi hanno introdotto un endoscheletro fatto di una lega a basso punto di fusione (LMPA) incorporata all'interno di una pelle di gomma. Normalmente, quando un metallo viene allungato troppo, il metallo diventa permanentemente piegato, incrinato o allungato in una forma fissa e inutilizzabile. Tuttavia, con questo metallo speciale incorporato nella gomma, i ricercatori hanno trasformato questo tipico meccanismo di guasto in un punto di forza. Una volta allungato, questo composito manterrebbe rapidamente la forma desiderata, perfetta per materiali che gambiano forma gradualmente ma che possono diventare immediatamente portanti.
Infine, il materiale ha dovuto riportare la struttura alla sua forma originale. Qui, il team ha incorporato riscaldatori morbidi e simili a viticci accanto alla rete LMPA. I riscaldatori causano la conversione del metallo in un liquido a 60 gradi Celsius, o il 10% della temperatura di fusione dell'alluminio. La pelle dell'elastomero mantiene il metallo fuso contenuto e in posizione, quindi riporta il materiale nella forma originale, invertendo lo stiramento, dando al composito ciò che i ricercatori chiamano "plasticità reversibile". Dopo che il metallo si è raffreddato, contribuisce nuovamente a mantenere la forma della struttura.
"Questi compositi hanno un endoscheletro metallico incorporato in una gomma con riscaldatori morbidi, dove i tagli ispirati al kirigami definiscono una serie di travi metalliche. Questi tagli combinati con le proprietà uniche dei materiali erano davvero importanti per trasformarsi, fissarsi rapidamente in forma, quindi tornare alla forma originale ", ha spiegato Hwang.
I ricercatori hanno scoperto che questo design composito ispirato al kirigami potrebbe creare forme complesse, dai cilindri alle palle alla forma irregolare del fondo di un peperone. Il cambio di forma potrebbe anche essere ottenuto rapidamente. Inoltre, se il materiale si rompesse, potrebbe essere guarito più volte fondendo e riformando l'endoscheletro metallico.
Le applicazioni di questa tecnologia stanno solo iniziando a svilupparsi. Combinando questo materiale con potenza, controllo e motori a bordo, il team ha creato un drone funzionale che si trasforma autonomamente da un veicolo terrestre a quello aereo. Il team ha anche creato un piccolo sottomarino dispiegabile, utilizzando la metamorfosi e il ritorno del materiale per recuperare oggetti da un acquario raschiando la pancia del sottomarino lungo il fondo.
"Siamo entusiasti delle opportunità che questo materiale presenta per i robot multifunzionali. Questi compositi sono abbastanza forti da resistere alle forze dei motori o dei sistemi di propulsione, ma possono facilmente mutare forma, il che consente alle macchine di adattarsi al loro ambiente", ha affermato Barron.
Guardando al futuro, i ricercatori immaginano che i compositi mutaforma svolgeranno un ruolo nel campo emergente della robotica morbida per creare macchine in grado di svolgere diverse funzioni, auto-guarire dopo essere state danneggiate per aumentare la resilienza e stimolare idee diverse nelle interfacce uomo-macchina e nei dispositivi indossabili.