Construção da Lanterna

Para construir a lanterna, a equipe começou com uma folha de polímero fina cortada em um paralelogramo em forma de diamante. Em seguida, eles cortaram uma série de linhas espaçadas uniformemente através do centro da folha, formando fitas paralelas conectadas por tiras sólidas de material na parte superior e inferior. Quando as extremidades dessas tiras de cima e de baixo são unidas, a folha naturalmente se dobra em uma forma redonda, semelhante a uma lanterna.

Estabilidade e Transformação

“Essa forma básica é, por si só, bistável,” diz Jie Yin, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade Estadual da Carolina do Norte. “Em outras palavras, ela possui duas formas estáveis. Ela é estável em sua forma de lanterna, é claro. Mas se você comprimir a estrutura, pressionando para baixo a partir do topo, ela começará a se deformar lentamente até alcançar um ponto crítico, no qual ela salta para uma segunda forma estável que se assemelha a um pião. Na forma de pião, a estrutura armazena toda a energia que você usou para comprimi-la. Portanto, uma vez que você comece a puxar a estrutura para cima, você atingirá um ponto onde toda essa energia é liberada de uma vez, fazendo com que ela volte rapidamente à forma de lanterna.”

“Descobrimos que podíamos criar muitas formas adicionais aplicando uma torção à forma, dobrando as tiras sólidas na parte superior ou inferior da lanterna para dentro ou para fora, ou qualquer combinação dessas opções,” diz Yaoye Hong, primeiro autor do artigo e ex-aluno de doutorado na NC State, que agora é pesquisador pós-doutoral na Universidade da Pensilvânia. “Cada uma dessas variações também é multistável. Algumas podem alternar entre dois estados estáveis. Uma delas tem quatro estados estáveis, dependendo se você está comprimindo a estrutura, torcendo a estrutura ou comprimindo e torcendo a estrutura simultaneamente.”

Controle Magnético e Aplicações

Os pesquisadores também deram controle magnético às lanternas ao anexar um filme magnético fino à tira inferior. Isso permitiu que eles torcessem ou comprimíssem as estruturas remotamente usando um campo magnético. Eles demonstraram várias aplicações possíveis para o design, incluindo um pegador magnético suave que pode capturar e soltar peixes sem causar danos, um filtro de controle de fluxo que abre e fecha debaixo d’água e uma forma compacta que se estende rapidamente para reabrir um tubo colapsado. Um vídeo do experimento está disponível abaixo do artigo.

Modelo Matemático

Para entender melhor e prever o comportamento da lanterna, a equipe também criou um modelo matemático mostrando como a geometria de cada ângulo afeta tanto a forma final quanto a quantidade de energia elástica armazenada em cada configuração estável.

“Esse modelo nos permite programar a forma que desejamos criar, quão estável ela é e quão poderosa pode ser quando a energia potencial armazenada é liberada como energia cinética,” diz Hong. “E todas essas coisas são críticas para criar formas que possam desempenhar aplicações desejadas.”

Futuras Explorações

“Avançando, essas unidades de lanterna podem ser montadas em arquiteturas 2D e 3D para amplas aplicações em metamateriais mecânicos que mudam de forma e robótica,” diz Yin. “Estamos explorando isso.”

O artigo, “Reprogrammable snapping morphogenesis in freestanding ribbon-cluster meta-units via stored elastic energy,” foi publicado em 10 de outubro na revista Nature Materials. O artigo foi co-autorado por Caizhi Zhou e Haitao Qing, ambos alunos de doutorado na NC State; e por Yinding Chi, um ex-aluno de doutorado na NC State que agora é pesquisador pós-doutoral na Penn.

Este trabalho foi realizado com o apoio da National Science Foundation sob as concessões 2005374, 2369274 e 2445551.