Le novità più recenti nella stampa 3D – i cosiddetti “materiali 4D” – utilizzano la stessa tecnica di produzione, ma sono progettate per deformarsi nel tempo, in risposta ai cambiamenti nell’ambiente, come la temperatura o l’umidità.

Ora i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno creato con successo strutture piatte che si trasformano in strutture molto più complesse di quanto precedentemente realizzato, come ad esempio il volto umano stesso. I risultati sono stati pubblicati negli Proceedings of the National Academy of Sciences.

Wim van Rees, ingegnere meccanico presso il MIT e coautore dell’articolo scientifico, ha sviluppato un metodo teorico per trasformare un foglio sottile e piatto in forme complesse, come sfere, cupole e persino un volto umano. “Il mio obiettivo era iniziare con una forma 3D complessa, come un volto umano, e poi chiedere: ‘come programmiamo un materiale in modo che arrivi?” Questo è un problema di progettazione inversa“, ha spiegato.

Tuttavia, le sue simulazioni originali erano basate su un foglio di materiale idealizzato, senza limiti di espansione o contrazione – che non descrive la realtà, poiché tutte le forme conosciute hanno i loro limiti. Questo è il noto problema della “doppia curvatura” , descritto per la prima volta da Carl Friedrich Gauss.

 

Doppia curvatura

Il matematico del 19° secolo ha proposto il “Therema Egregium” nel 1828, il che suggerisce che è possibile determinare la curvatura di una superficie misurandone gli angoli e le distanze, il che significa che la curvatura della superficie non cambia quando viene piegata. Tuttavia, c’è un avvertimento: la superficie non può allungarsi, restringersi o strapparsi: un vero problema se proviamo a deformare una forma piatta in forme complesse con una curvatura diversa.

L’ingegnere ha confrontato la sfida di avvolgere un pallone da calcio con la carta. La carta ha zero curvatura “gaussiana”, mentre la palla ha una doppia curvatura. Ora, per avvolgerlo, la carta deve essere spiegazzata sui lati e sul fondo, quindi dovrebbe essere allungata o contratta in punti strategici, al fine di garantire che il pallone da calcio sia ben avvolto.

Per risolvere questo problema, van Rees ha usato una struttura simile a un tessuto, invece di utilizzare un foglio continuo. Il team ha realizzato questa struttura con un materiale di gomma che si espande quando la temperatura aumenta. Gli spazi vuoti nella struttura facilitano l’adattamento del materiale a cambiamenti particolarmente grandi.

Inoltre, gli scienziati hanno usato un’immagine di Gauss per creare una mappa virtuale al fine di stimare quanto la superficie piana avrebbe dovuto piegarsi per riconfigurare una faccia. Quindi, hanno creato un algoritmo per tradurre questo meccanismo nel modello corretto su questo oggetto.

Il team del MIT ha progettato le “nervature” – alcuni rigonfiamenti – per crescere a velocità diverse sul foglio di carta velina, in grado di piegarsi abbastanza da assumere la forma di un naso, ad esempio. Il materiale stampato è stato polimerizzato in un forno e, quindi, raffreddato a temperatura ambiente, in un bagno di acqua salata. Il risultato è stato la forma di un volto umano.

Questo tipo di materiale che cambia forma può essere utilizzato in futuro per produrre tende che si aprono da sole, lenti telescopiche deformabili, impalcature e persino nella robotica.