Gli ingegneri del MIT usano il kirigami per realizzare strutture ultra resistenti e leggere

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I solidi cellulari sono materiali composti da molte cellule impacchettate insieme, come un nido d'ape. La forma di queste celle determina in gran parte le proprietà meccaniche del materiale, inclusa la sua rigidità o resistenza. Le ossa, ad esempio, sono riempite con un materiale naturale che consente loro di essere leggere, ma rigide e resistenti.

Ispirandosi alle ossa e ad altri solidi cellulari presenti in natura, gli esseri umani hanno utilizzato lo stesso concetto per sviluppare materiali architettonici. Modificando la geometria delle celle unitarie che compongono questi materiali, i ricercatori possono personalizzare le proprietà meccaniche, termiche o acustiche del materiale. I materiali progettati sono utilizzati in molte applicazioni, dalla schiuma per imballaggi ammortizzante ai radiatori termoregolatori.

Utilizzando il kirigami, l’antica arte giapponese di piegare e tagliare la carta, i ricercatori del MIT hanno ora prodotto un tipo di materiale architettonico ad alte prestazioni noto come reticolo di piastre, su una scala molto più ampia di quanto gli scienziati fossero stati in grado di ottenere in precedenza mediante la fabbricazione additiva. Questa tecnica consente loro di creare queste strutture in metallo o altri materiali con forme personalizzate e proprietà meccaniche specificatamente personalizzate.

“Questo materiale è come il sughero d’acciaio. È più leggero del sughero, ma ha un’elevata resistenza e rigidità”, afferma il professor Neil Gershenfeld, che dirige il Center for Bits and Atoms (CBA) al MIT ed è autore senior di un nuovo articolo su questo approccio.

I ricercatori hanno sviluppato un processo di costruzione modulare in cui molti componenti più piccoli vengono formati, piegati e assemblati in forme 3D. Utilizzando questo metodo, hanno fabbricato strutture e robot ultraleggeri e ultraresistenti che, sotto un carico specifico, possono trasformarsi e mantenere la loro forma.

Poiché queste strutture sono leggere ma resistenti, rigide e relativamente facili da produrre in serie su scala più ampia, potrebbero essere particolarmente utili nei componenti architettonici, aeronautici, automobilistici o aerospaziali.

Insieme a Gershenfeld nell'articolo ci sono gli autori principali Alfonso Parra Rubio, un assistente di ricerca presso il CBA, e Klara Mundilova, una studentessa laureata in ingegneria elettrica e informatica del MIT; insieme a David Preiss, uno studente laureato presso la CBA; ed Erik D. Demaine, professore di informatica del MIT. La ricerca sarà presentata alla conferenza ASME Computers and Information in Engineering.

Fabbricazione piegando

I materiali architettonici, come i reticoli, sono spesso utilizzati come nuclei per un tipo di materiale composito noto come struttura a sandwich. Per immaginare una struttura a sandwich, pensa all'ala di un aereo, dove una serie di travi diagonali che si intersecano formano un nucleo reticolare inserito tra un pannello superiore e uno inferiore. Questo reticolo reticolare ha elevata rigidità e resistenza, ma è molto leggero.

I reticoli di piastre sono strutture cellulari costituite da intersezioni tridimensionali di piastre, anziché di travi. Queste strutture ad alte prestazioni sono ancora più resistenti e rigide dei reticoli reticolari, ma la loro forma complessa le rende difficili da fabbricare utilizzando tecniche comuni come la stampa 3D, in particolare per applicazioni ingegneristiche su larga scala.

I ricercatori del MIT hanno superato queste sfide produttive utilizzando il kirigami, una tecnica per creare forme 3D piegando e tagliando la carta che fa risalire la sua storia agli artisti giapponesi del VII secolo.

Kirigami è stato utilizzato per produrre reticoli di piastre da pieghe a zigzag parzialmente piegate. Ma per realizzare una struttura a sandwich, è necessario attaccare piastre piatte alla parte superiore e inferiore di questo nucleo ondulato sui punti stretti formati dalle pieghe a zigzag. Ciò spesso richiede adesivi forti o tecniche di saldatura che possono rendere l’assemblaggio lento, costoso e difficile da scalare.