I ricercatori hanno sviluppato una struttura che può essere trasformata a piacimento in varie forme stabili e allo stesso tempo può essere prodotta con estrema facilità. La chiave sta in una combinazione intelligente dei materiali di partenza.
Da tempo i ricercatori lavorano su materiali che possono assumere diverse forme stabili a seconda delle necessità. L’obiettivo di queste cosiddette strutture multistabili è costruire oggetti la cui forma tridimensionale possa essere modificata in modo permanente a seconda delle necessità. Questo potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per costruire elementi di facciata adattabili o oggetti di grandi dimensioni che possono essere facilmente trasportati per risparmiare spazio.
Ma la grande svolta è ancora lontana. Le soluzioni precedenti sono molto costose da produrre, possono essere deformate solo una volta o richiedono una fornitura continua di energia per mantenere lo stato modificato.
Una soluzione straordinariamente semplice
Giada Risso e Paolo Ermanni, del gruppo Materiali compositi e strutture adattive dell’ETHZ, hanno recentemente presentato sulla rivista Advanced Science un nuovo approccio che supera questi inconvenienti. "Uno dei miei obiettivi principali era quello di sviluppare una struttura piatta multistabile facile da fabbricare", spiega l’autrice. La soluzione è straordinariamente semplice: incolla un telaio piatto in materiale composito a una pellicola termoplastica morbida e pre-tesa in poliuretano. "Una superficie piana, un supporto per prestirare la pellicola: in pratica è tutto ciò che serve", spiega Risso.
Se la struttura viene piegata a mano, passa dallo stato piatto iniziale a una forma curva che non cambia senza ulteriori interventi. Con un movimento della lancetta dei secondi, la forma può essere nuovamente modificata e il nuovo stato viene mantenuto senza ulteriori interventi. Inoltre, lo stato iniziale può essere ripristinato senza ulteriori azioni.
Un telaio con fibre di carbonio
Ma perché questa struttura può essere deformata in modo così flessibile in diversi stati stabili? L’aspetto cruciale è il materiale che si prende come cornice, ha scoperto Risso. "Otteniamo i migliori risultati con un materiale composito fatto di fibre di carbonio. Se invece si utilizzano fibre di vetro come telaio, è possibile ottenere forme molto meno stabili. Il risultato peggiore si ottiene con l’acciaio come materiale limite: con esso non è possibile creare un secondo stato stabile.
Nel suo lavoro, Risso ha teorizzato il motivo per cui i diversi materiali portano a risultati così diversi. "Le fibre di carbonio sono altamente anisotrope, il che significa che hanno proprietà molto diverse nelle varie direzioni spaziali. Quindi, a seconda della direzione in cui li si tira, hanno una forza diversa. Solo questa anisotropia crea una forma multistabile". Poiché l’acciaio, a differenza delle fibre di carbonio, è isotropo, non è possibile produrre una forma multistabile con esso.
Caterpillar come modello
L’elemento base della nuova struttura è un elemento quadrato. Questo può essere ampliato a piacere con altri quadrati. Poiché ogni singolo quadrato può assumere diversi stati stabili, nella combinazione emerge una grande varietà di forme possibili.
In una fase successiva, Risso ha equipaggiato una struttura composta da 16 quadrati con i cosiddetti attuatori pneumatici. Il loro funzionamento è simile a quello di un palloncino "unilaterale", cioè si espandono da un lato quando l’aria vi entra. Se l’aria viene spinta nei singoli attuatori, la struttura si piega nel modo desiderato e assume una nuova forma. Negli esperimenti, Risso è riuscito a dimostrare che questo può essere usato per emulare il movimento di un bruco.
Risso vede molte applicazioni possibili per queste strutture, ad esempio per costruire elementi di facciata modificabili o robot flessibili. L’industria spaziale è la più interessata: "Utilizza già materiali compositi leggeri e si basa su materiali compatti che possono essere facilmente modificati". Il nuovo approccio potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per costruire antenne o pannelli solari che possono essere facilmente dispiegati e configurati dopo il trasporto nello spazio.
La diversità non ha limiti
Per inciso, il principio non funziona solo con gli elementi di base quadrati, ma anche con qualsiasi altro poligono, come Risso è riuscito a dimostrare in un’altra opera. Questo amplierà enormemente la gamma di applicazioni. "Chissà, forse presto si potranno costruire figure a forma di cubo con questi materiali, che si trasformeranno in strutture tridimensionali esotiche in un batter d’occhio", dice ridendo.
"Se dovessimo riuscire a ridurre questi elementi fino al millimetro, potrei anche immaginarne l’uso in medicina".
In effetti, il nuovo concetto con le sue versatili possibilità stimola l’immaginazione. "Non sono neanche lontanamente in grado di esplorare tutte le possibilità, perché ora devo concentrarmi sul completamento della mia tesi di dottorato", dice Risso. Vuole utilizzare il tempo rimanente, ad esempio, per chiarire alcune domande di ricerca aperte.
Con il suo background in matematica applicata, vuole chiarire, ad esempio, la questione di quanto sia stabile uno stato stabile. Anche la velocità di deformazione è un punto critico che deve essere esaminato più da vicino. "Per molte applicazioni è importante che il materiale non cambi a scatti, ma che passi da uno stato all’altro in modo controllato", spiega l’autrice. "Per questo stiamo anche studiando come controllare e rallentare meglio la deformazione".
Infine, c’è anche l’aspetto delle dimensioni: "Non sappiamo ancora quanto possiamo ridurre i singoli elementi. Se riuscissimo a ridurre questi elementi fino al millimetro, potrei anche immaginarne l’uso in medicina", afferma Risso. "Ma questa è ancora una visione per il futuro.
Riferimenti
Risso G, Sakovsky M, Ermanni P. Una metastruttura altamente multistabile tramite anisotropia per una trasformazione di forma ampia e reversibile. Advanced Science 21 luglio 2022. DOI: pagina esterna 10.1002/advs.202202740
Felix Würsten
