Geometría, simulación y conectividad eléctrica sin cortes: así es el nuevo metamaterial desarrollado por el MIT

Un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) desarrolló bifur-circuits, bloques 3D reconfigurables que mantienen la conexión eléctrica aunque cambien de forma, un avance que puede servir para crear desde pinzas robóticas adaptables hasta dispositivos de asistencia capaces de reconocer su propia configuración sin cables externos, informó MIT News, el portal de noticias del propio instituto.

La prueba de resistencia mostró que estas estructuras soportaron más de 10.000 compresiones sin degradación de la conectividad eléctrica. Ese dato apunta a una de las claves del sistema: no se trata solo de piezas que se mueven, sino de componentes que aún transmiten electricidad mientras se doblan, giran o se comprimen.

Los investigadores presentaron además varios objetos interactivos fabricados con este enfoque. Entre ellos hubo una silla que puede transformarse en mesa con espacio de guardado o aplanarse para guardarse, y que detecta en qué configuración quedó para enviar el mensaje correspondiente a una pantalla electrónica.

Más formas sin perder funcionalidad eléctrica

El trabajo describe a estos componentes como una clase de metamaterial mecánico: estructuras tridimensionales programables compuestas por unidades repetidas que adoptan formas complejas gracias a su geometría. Cuando se las empuja, estira o comprime, pueden doblarse o torcerse de manera precisa.

En este caso, los bifur-circuits se basan en metamateriales auxéticos, que se ensanchan cuando se estiran en lugar de angostarse. En trabajos previos, el equipo ya había usado esa clase de estructuras para construir antenas reconfigurables que adoptaban tres formas distintas según el estiramiento, lo que permitía ajustar dinámicamente su rango de frecuencia sin mecanismos móviles complejos.

El límite de aquella línea de trabajo era la cantidad de estados posibles. El nuevo sistema amplía ese margen porque las unidades modulares pueden conectarse y rotarse de distintas maneras, lo que multiplica las configuraciones disponibles.

La autora principal del estudio, Marwa AlAlawi, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica, afirmó: “Nuestro trabajo amplía ese espacio de diseño”, y explicó: “Si pensamos en los metamateriales mecánicos como bloques de construcción, nuestro trabajo es una forma de aprovechar su geometría para incorporar inteligencia intrínseca al hardware, lo que podría abrir muchas posibilidades”.

La bifurcación mecánica genera múltiples estados estables

El sistema aprovecha una propiedad llamada bifurcación mecánica. Se trata de un cambio repentino en el comportamiento de un mecanismo cuando la fuerza aplicada supera un punto crítico, como ocurre cuando una regla de plástico se pandea después de doblarse hasta cierto umbral.

En los bifur-circuits, esa bifurcación aparece cuando los bloques conectados giran de determinadas maneras alrededor de un punto de pivote. Ese comportamiento permite que varias unidades unidas formen más configuraciones estables que una sola pieza por separado. AlAlawi precisó: “La bifurcación nos permite ampliar de forma considerable este espacio de reconfiguración. Con solo agregar una unidad extra obtenemos muchísimas más combinaciones a partir de la misma estructura”.

La capacidad interactiva surge porque la conexión y rotación de los componentes activa un circuito específico entre unidades adyacentes. Esa comunicación entre bloques es la que permite que la estructura detecte qué forma adoptó.

Herramienta para diseñar y simular objetos

Uno de los principales problemas del desarrollo fue encontrar un material que fuera lo bastante flexible para doblarse y, al mismo tiempo, mantuviera una conducción eléctrica eficiente. “El material conductor fue una restricción con la que tuvimos que trabajar durante el proceso de diseño, y determinó cómo iba a ocurrir la detección entre bloques”, precisó AlAlawi.

Una vez resuelto ese punto, los investigadores desarrollaron una herramienta de construcción y simulación para simplificar el diseño de los bifur-circuits. El software genera instrucciones para una impresora 3D multimaterial, capaz de fabricar los objetos reconfigurables en una sola pasada.

El estudio también mostró un controlador capaz de cambiar de forma y abrir uno de varios videojuegos según su configuración. El equipo sostiene que la misma lógica podría aplicarse en herramientas interactivas de rehabilitación, pinzas cambiantes para robots blandos modulares, refugios reconfigurables para responder a condiciones ambientales variables tras un desastre natural y antenas para comunicaciones y detección que ajusten su frecuencia sin piezas mecánicas voluminosas.

Para la próxima etapa, los investigadores planean ampliar las aplicaciones del sistema, incorporar más interactividad y explorar otras geometrías de metamateriales. Vale destacar que el estudio también contó con la participación de investigadores de la University of Tokyo y la University of Michigan.