Un grupo de investigadores del MIT desarrolló un juego de componentes modulares que permite armar dispositivos reconfigurables cuyas conexiones eléctricas siguen funcionando sin importar qué forma tome la estructura. Los bautizaron bifur-circuits y el trabajo se presentará en el ACM Symposium on User Interface Software and Technology.
Esa modularidad eléctrica habilita algo concreto. Diseñar dispositivos interactivos capaces de detectar qué forma adoptaron, sin necesidad de cables externos. Entre los usos que mencionan los investigadores aparecen muebles asistivos que ayuden a una persona a cambiar de posición mientras se recupera de una lesión, y pinzas robóticas reconfigurables que se mantengan conectadas eléctricamente al cambiar de forma para distintas aplicaciones.
Los bloques se imprimen en 3D y pertenecen a una familia de estructuras conocida como metamateriales mecánicos. La diferencia con los metamateriales tradicionales es la cantidad de configuraciones posibles, bastante mayor en este caso.
¿Qué es un metamaterial auxético?
Los metamateriales mecánicos son estructuras tridimensionales programables, hechas de unidades que se repiten y que pueden formar figuras complejas gracias a su geometría. Al apretarlas, empujarlas o estirarlas, se doblan o se tuercen de maneras precisas.
Los metamateriales auxéticos son un caso particular. Se ensanchan cuando se los estira, en vez de angostarse.
En un trabajo anterior, el mismo equipo del MIT usó metamateriales auxéticos para construir antenas reconfigurables que formaban tres figuras según cómo se estirara la estructura. Con eso la antena ajustaba su rango de frecuencia de forma dinámica, sin partes móviles complejas.
El límite apareció después. El equipo quería ampliar el número de configuraciones de la antena, y los metamateriales auxéticos solo podían formar esos tres estados fijos.
De ahí salieron los bifur-circuits, metamateriales auxéticos capaces de formar muchas más figuras según cómo se conecten y se roten las unidades modulares.
Dónde entra la bifurcación mecánica
Las unidades están diseñadas además para ser modulares desde el punto de vista eléctrico. Por la manera en que el material conductor se integra en los bifur-circuits, las conexiones eléctricas a lo largo de toda la estructura se mantienen sin importar cómo se rote, se presione o se tuerza el objeto para formar figuras nuevas.
Para lograr objetos interactivos con muchas configuraciones posibles, los bifur-circuits aprovechan una propiedad llamada bifurcación mecánica.
Una bifurcación mecánica es un cambio brusco en el comportamiento de un mecanismo cuando la fuerza aplicada supera un punto de inflexión. El ejemplo más simple es doblar suavemente los extremos de una regla plástica. Cuando esa fuerza alcanza el umbral crítico, la regla pandea de golpe.
En los bifur-circuits esa bifurcación ocurre cuando los bloques conectados se rotan de ciertas maneras alrededor de un punto de pivote. La propiedad permite que los bloques conectados formen configuraciones más estables que las que podría sostener un bloque por sí solo. Y sumar más bifur-circuits a una estructura aumenta de forma exponencial el número de configuraciones potenciales.
"La bifurcación nos permite expandir de manera considerable este espacio de reconfigurabilidad. Con solo agregar una unidad extra obtenemos muchísimas más combinaciones a partir de la misma estructura", dice Marwa AlAlawi, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y autora principal del artículo sobre estos dispositivos.
Conectar y rotar los componentes activa un circuito único entre unidades adyacentes. Esa interactividad permite que las unidades se comuniquen entre sí, y con eso la estructura detecta su propia configuración.
10.000 compresiones sin perder contacto
El obstáculo más grande del proyecto fue el material conductor. Los investigadores necesitaban uno lo bastante flexible para doblarse y que al mismo tiempo ofreciera suficiente eficiencia en el flujo de electricidad.
"El material conductor fue una restricción que tuvimos que sortear en el proceso de diseño, y determinó cómo iba a ocurrir la detección entre bloques", dice AlAlawi.
Con el diseño afinado, el equipo probó la durabilidad de las estructuras reconfigurables comprimiéndolas más de 10.000 veces. Las estructuras no mostraron degradación en su conectividad eléctrica.
Los investigadores desarrollaron también una herramienta de construcción y simulación para simplificar el diseño de bifur-circuits. El software genera las instrucciones para una impresora 3D multimaterial, que fabrica los objetos reconfigurables en una sola pasada.
¿Para qué sirve una silla que sabe que es mesa?
En el estudio que presenta el sistema, los investigadores mostraron varios objetos interactivos. Entre ellos, una silla que se convierte en mesa con almacenamiento y que además se puede aplanar para guardarla. La estructura detecta su configuración y manda los mensajes correspondientes a una pantalla electrónica.
También fabricaron un control para videojuegos que cambia de forma y que lanza uno u otro juego según la configuración que tenga.
Otro uso posible son las antenas para comunicaciones y sensado, que formarían figuras nuevas para ajustar sus frecuencias frente a condiciones ambientales cambiantes, sin partes mecánicas voluminosas.
Más adelante, los bifur-circuits podrían aplicarse a herramientas interactivas de rehabilitación, pinzas que cambian de forma para robots blandos modulares, o refugios reconfigurables capaces de responder a condiciones ambientales cambiantes después de un desastre natural.
"Los metamateriales pueden volver fáciles de fabricar ensamblajes mecánicos complejos con solo usar unidades que se repiten. Nuestro trabajo expande ese espacio de diseño. Si pensamos en los metamateriales mecánicos como bloques de construcción, entonces nuestro trabajo es una forma de aprovechar su geometría para incorporar inteligencia intrínseca en el hardware, lo que podría abrir muchas posibilidades", dice AlAlawi.
AlAlawi firma el artículo junto a las autoras principales Ticha Sethapakdi, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT, y Stefanie Mueller, profesora asociada de los departamentos de ingeniería eléctrica, ciencias de la computación e ingeniería mecánica del MIT, y líder del Human-Computer Interaction Group en el laboratorio CSAIL. El resto de los coautores trabaja en el MIT, la Universidad de Tokio y la Universidad de Michigan.
El equipo quiere explorar más aplicaciones, agregar interactividad a las estructuras e investigar otras figuras de metamaterial.
"Los bifur-circuits son un paso hacia el desarrollo de bloques de construcción mecánicos con inteligencia integrada. Sería interesante construir sobre este trabajo y llegar a bloques que nos permitan crear una estructura con cualquier forma que queramos, y que sean estructuralmente estables y se puedan accionar", dice AlAlawi.
El trabajo fue financiado en parte por la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón y por el Bahrain Crown Prince International Scholarship Program.
