Il nuovo metodo semplifica il processo di costruzione per materiali complessi

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Gli ingegneri sono costantemente alla ricerca di materiali con combinazioni di proprietà nuove e desiderabili. Ad esempio, un materiale ultraresistente e leggero potrebbe essere utilizzato per rendere gli aeroplani e le automobili più efficienti nei consumi, oppure un materiale poroso e biomeccanicamente compatibile potrebbe essere utile per gli impianti ossei.

I metamateriali cellulari – strutture artificiali composte da unità, o cellule, che si ripetono in vari modelli – possono aiutare a raggiungere questi obiettivi. Ma è difficile sapere quale struttura cellulare porterà alle proprietà desiderate. Anche se ci si concentra su strutture costituite da elementi costitutivi più piccoli come travi interconnesse o piastre sottili, esiste un numero infinito di possibili soluzioni da considerare. Pertanto, gli ingegneri possono esplorare manualmente solo una piccola frazione di tutti i metamateriali cellulari ipoteticamente possibili.

I ricercatori del MIT e dell'Istituto di scienza e tecnologia austriaco hanno sviluppato una tecnica computazionale che rende più semplice per un utente progettare rapidamente una cella di metamateriale da uno qualsiasi di questi elementi costitutivi più piccoli e quindi valutare le proprietà del metamateriale risultante.

Il loro approccio, come un sistema CAD (progettazione assistita da computer) specializzato per metamateriali, consente a un ingegnere di modellare rapidamente anche metamateriali molto complessi e sperimentare progetti che altrimenti avrebbero richiesto giorni per essere sviluppati. L'interfaccia intuitiva consente inoltre all'utente di esplorare l'intero spazio delle potenziali forme metamateriali, poiché tutti gli elementi costitutivi sono a sua disposizione.

"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, ciò significa che puoi passare da una all'altra in modo più fluido", afferma l'ingegneria elettrica e informatica del MIT. la studentessa laureata Liane Makatura, co-autrice principale di un articolo su questa tecnica.

Makatura ha scritto l'articolo con il co-autore principale Bohan Wang, un postdoc del MIT; Yi-Lu Chen, studente laureato presso l'Istituto di Scienza e Tecnologia Austria (ISTA); Bolei Deng, un postdoc del MIT; Chris Wojtan e Bernd Bickel, professori dell'ISTA; e l'autore senior Wojciech Matusik, professore di ingegneria elettrica e informatica al MIT che guida il gruppo di progettazione e fabbricazione computazionale all'interno del laboratorio di informatica e intelligenza artificiale del MIT. La ricerca sarà presentata al SIGGRAPH.

Un metodo unificato

Quando uno scienziato sviluppa un metamateriale cellulare, in genere inizia scegliendo una rappresentazione che verrà utilizzata per descrivere i suoi potenziali progetti. Questa scelta determina l'insieme di forme che saranno disponibili per l'esplorazione.

Ad esempio, può scegliere una tecnica che rappresenta i metamateriali utilizzando molte travi interconnesse. Tuttavia, questo le impedisce di esplorare metamateriali basati su altri elementi, come piastre sottili o strutture 3D come sfere. Tali forme sono date da rappresentazioni diverse, ma finora non esiste un modo unificato per descrivere tutte le forme in un unico metodo.

“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 alcune delle altre forme per la tua particolare applicazione”, afferma Makatura.

Lei e i suoi collaboratori hanno fatto un passo indietro ed hanno esaminato da vicino diversi metamateriali. Hanno visto che le forme che compongono la struttura complessiva potrebbero essere facilmente rappresentate da forme di dimensioni inferiori: una trave potrebbe essere ridotta a una linea o un guscio sottile potrebbe essere compresso in una superficie piana.