El ala de Earwig inspira diseños compactos que se pliegan sí mismos

El ala de Earwig inspira diseños compactos que se plieganAmpliarDr. Jakob Faber, ETH Zúrich

Tengo que admitir que incluso como alguien que está fascinado por la mayoría insectos, la tijereta me asusta. Al ver uno, normalmente estoy demasiado ocupado tratando de aplastarlo para notar cualquier detalle sobre su anatomía. Así que fue un poco sorprendente descubrir que no solo tienen alas, pero sus alas son poseedores del récord mundial en un aspecto específico de la alas del insecto: ocupan el menor espacio cuando está plegado en comparación con su tamaño extendihacer. La relación entre estos estados pueden alcanzar hasta 18 a uno.

Con ese hecho en mente, me sorprendió menos descubrir que los investigadores han decidido estudiar este poco de biología para ver si pueden derivar cualquier idea de lo que la evolución ha hecho con el tijereta. En la edición de hoy de Science, hay un informe sobre lo que ha aprendido por tres investigadores: Jakob Faber y Y ré Studart de ETH Zurich y Andres Arrieta de la Universidad de Purdue. Ellos encuentran eso, para imitar el ala de la tijereta, un enfoque plegable estilo origami no do. En cambio, han diseñado e impreso en 3D una selección de Diseños metaestables que, con un pequeño aporte de energía, rápidamente cambiar entre los estados plegados y desplegados.

Cuando muchas personas, incluida la mayoría de los científicos de materiales, piensan en plegado, su primer pensamiento es el origami. Pero el equipo de investigación descubrió que el “exquisito sistema de plegado natural” de la tijereta se comporta de una manera que “no puede ser suficientemente descrito por el origami actual modelos “. Parte del problema es uno de la ciencia de los materiales: hay ciertos patrones de plegado en el ala que simplemente no pueden hacerse creando un pliegue en un solo material o usando las líneas rectas de origami Además, el ala es biestable, sosteniéndose colocar durante el vuelo con una mínima entrada de los músculos y plegarse completamente sin que se gaste ninguna energía muscular.

El secreto de esto es en parte que la biología no se limita a ya sea líneas rectas o un solo material. De hecho, las articulaciones en el ala de una tijereta es rica en una proteína llamada resilina, que se forma Un polímero flexible que puede almacenar y liberar energía a medida que se dobla y relajado

El ala de la tijereta. Dr. Jakob Faber, ETH Zürich

Una animación del proceso de plegado. Dr. Jakob Faber, ETH Zürich

Dr. Jakob Faber, ETH Zürich

La forma extremadamente compacta, completamente plegada. Dr. Jakob Faber, ETHZürich

Para obtener más información sobre cómo funciona el sistema, el ala del insecto fue sometido a análisis de elementos finitos, que modela el comportamiento de componentes individuales de un sistema, luego se acumula más complicado ecuaciones combinando estos elementos. Esto reveló algo básico principios sobre el comportamiento del ala. Para dar un ejemplo, si un la unión entre dos segmentos de ala está uniformemente espaciada a través del unión completa, el despliegue dará como resultado un simple, lineal expansión. Si la articulación es asimétrica, entonces las piezas también rotar uno respecto al otro a medida que la articulación se despliega.

4D? �Qué?

A lo largo del documento, los investigadores se refieren a su proceso como “Impresión 4D”. Esta no es la primera vez que escucho el término, así que existe la posibilidad de que la gente intente popularizarlo. Esperemos que fallen, porque es un término muy confuso, y uno es difícil encontrar una buena definición para eso.

En física, las tres primeras dimensiones son el espacio, y la cuarta es hora. La impresión 3D implica crear un objeto que se extienda a través de las tres dimensiones espaciales. Pero, ¿qué podría imprimir tiempo posiblemente parece? �Regresas y agregas partes nuevas por reimpresión?

No. En cambio, la impresión 4D se refiere a imprimir un objeto que puede adoptar más de una forma El formulario que imprime podría no ser el formulario que un objeto está atrapado por el resto de su existencia. Ya que Esto podría ser cierto para cualquier cosa impresa con un flexible material, parece una definición excesivamente amplia. Andporque la confusión sobre el tiempo de impresión significa que cualquiera que se encuentra con este término tendrá que buscarlo en lugar de ser evidente, probablemente sea mejor que todos se olviden ha sido usado.

Una versión simplificada de los resultados del elemento finito. El análisis se programó en una herramienta de diseño, lo que permite investigadores para hacer superficies plegables que imiten las de alas de tijereta: plegables y estables plegados y desplegados estables estados. Los diseños resultantes podrían enviarse a una impresora 3D que usaban diferentes materiales para los segmentos y las juntas y podría crear curvas arbitrarias para cualquiera de las articulaciones. De hecho, el los investigadores generalmente encontraron que es más fácil imprimir la forma plegada de lo que sea que estuvieran haciendo, ya que el cabezal de impresión tenía que viajar Menos.

El sistema funcionó increíblemente bien. Un patrón simple con cuatro cuadrados demostraron la metaestabilidad del ala de tijereta. Con un pequeño aporte de energía, podría romperse entre su apertura y estados cerrados en tan solo 80 milisegundos. Pero ellos también imprime estructuras más complejas, como una reproducción de la tijereta ala. Y también produjeron algunos diseños novedosos, como un par de pinzas que podrían cambiar entre estados abiertos y cerrados, con el estado cerrado pudiendo agarrar objetos. Todo el proceso de cierre. está controlado por una pequeña colección de paneles donde los dos brazos de la pinza se encuentra; los cambios allí simplemente se propagan por los brazos.

Los autores dicen que esto demuestra la fuerza de su diseño. software. “Al diseñar los materiales y parámetros geométricos de esta célula, “escriben”, el paisaje energético inherente de la se puede programar todo el mecanismo de agarre “. Claramente, el sistema es también lo suficientemente flexible como para hacer de todo, desde un dispositivo mecánico hasta Un ala plegable.

Si bien es poco probable que este trabajo cambie mi reacción a venir a través de una tijereta en el mundo real, me da una nueva aprecio por las fuerzas que impulsaron su evolución. Tiene incluso Me ayudó a apreciar la impresión 3D un poco más.

Science, 2018. DOI: 10.1126 / science.aap7753 (Acerca de los DOI).

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