El kirigami es una variante del origami que consiste en cortar y doblar papel.
Los científicos han tomado estos principios del kirigami y los han aplicado a materiales 3D para crear estructuras capaces de transformarse.
Las unidades individuales de kirigami 3D se apilan unas sobre otras, y cada unidad puede adoptar una variedad de formas diferentes.
Los científicos creen que este sistema de metamorfosis puede utilizarse en diversas aplicaciones, como dispositivos robóticos y juguetes educativos.
Los materiales tridimensionales que se inspiran en el kirigami pueden crear estructuras capaces de transformarse en múltiples arquitecturas diferentes.
Los investigadores prevén aplicaciones que abarcan desde la construcción hasta la robótica.
“El sistema que hemos desarrollado se inspiró en la metamorfosis”, afirma Jie Yin, autora de correspondencia de un artículo sobre el trabajo y profesora asociada de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “En la naturaleza, la metamorfosis hace que los animales cambien su forma fundamental. Hemos creado una clase de materiales que pueden utilizarse para crear estructuras que cambian su arquitectura fundamental.”
Kirigami es un concepto fundamental en el trabajo de Yin. El kirigami es una variante del origami que consiste en cortar y doblar papel. Pero, mientras que el kirigami tradicionalmente emplea materiales bidimensionales, Yin aplica los mismos principios a materiales 3D.
Material de kirigami
El sistema de metamorfosis comienza con una sola unidad de kirigami 3D. Cada unidad puede formar múltiples formas por sí misma. Pero estas unidades también son modulares: pueden conectarse para formar estructuras cada vez más complejas. Dado que las unidades individuales pueden formar múltiples formas y pueden conectarse con otras unidades de múltiples maneras, el sistema en su conjunto puede adoptar una gran variedad de arquitecturas.
“Piense en lo que puede construir con materiales convencionales”, dice Yin. “Ahora imagine lo que puede construir cuando cada bloque básico de construcción es capaz de transformarse de múltiples maneras.”
El laboratorio de Yin previamente demostró un concepto similar, en el que las unidades de kirigami 3D se apilaban unas sobre otras. En ese sistema, las unidades podían utilizarse para ensamblar una estructura, pero la estructura también podía desensamblarse después.
El sistema de metamorfosis implica conectar realmente las unidades de kirigami. Dicho de otro modo, una vez que las unidades están conectadas entre sí, no pueden desconectarse. Sin embargo, las estructuras más grandes que crean son capaces de transformarse en múltiples arquitecturas diferentes.
“Hay dos grandes diferencias entre nuestro primer sistema de kirigami y el sistema de metamorfosis”, explica Yin.
“El primer sistema de kirigami implicaba unidades que podían ensamblarse en arquitecturas y luego desensamblarse, lo cual es una ventaja. Sin embargo, una vez ensambladas las unidades, la arquitectura no podía transformarse. Como los lados de la unidad no eran rígidos ni estaban fijados en ángulos de 90 grados, la estructura ensamblada podía doblarse y moverse, pero no podía cambiar fundamentalmente su geometría.
“El sistema de kirigami por metamorfosis no permite desensamblar una estructura”, afirma Yin. “Y como los lados de cada unidad cúbica son rígidos y están fijados en ángulos de 90 grados, la estructura ensamblada no se dobla ni flexiona demasiado. Sin embargo, la estructura terminada es capaz de transformarse en arquitecturas diferentes.”
Integridad estructural
En pruebas de concepto, los investigadores demostraron que el sistema de metamorfosis era capaz de crear muchas estructuras diferentes que pueden soportar un peso considerable manteniendo su integridad estructural.
Esa integridad estructural es importante, porque Yin considera que la construcción es una posible aplicación del sistema de metamorfosis.
“Si se escala este enfoque, podría ser la base de una nueva generación de materiales de construcción que puedan utilizarse para crear estructuras de rápido despliegue”, afirma Yin. “Piense en las unidades médicas que han tenido que ampliarse con poco tiempo de aviso durante la pandemia, o en la necesidad de refugios de emergencia tras un desastre.”
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Los investigadores también creen que el sistema de metamorfosis podría crear una variedad de dispositivos robóticos capaces de transformarse para responder a estímulos externos o desempeñar distintas funciones.
“También creemos que este sistema podría utilizarse para crear una nueva línea de juguetes, en particular juguetes que ayuden a las personas a explorar algunos conceptos fundamentales de STEM relacionados con la física y la ingeniería”, afirma Yin. “Estamos abiertos a trabajar con colaboradores de la industria para explorar estas y otras posibles aplicaciones del sistema.”
El artículo se publica en la revista Materials Today Physics. La investigación contó con el apoyo de la National Science Foundation.
