Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur NTU Singapur y el Instituto de Tecnología de California Caltech, Estados Unidos, han desarrollado un nuevo tipo de tela de 'cota de malla' que es flexible como la tela pero que puede endurecerse a pedido.
La tela liviana está impresa en 3D a partir de polímeros plásticos de nailon y comprende octaedros huecos una forma con ocho caras triangulares iguales que se entrelazan entre sí.
Cuando la tela suave se envuelve dentro de un sobre de plástico flexible y se empaca al vacío, se convierte en una estructura rígida que es 25 veces más rígida o más difícil de doblar que cuando está relajada. El principio físico detrás de esto se llama " transición de interferencia , "similar al comportamiento de endurecimiento en bolsas de arroz o frijoles envasados al vacío.
Conocido como 'tejidos estructurados portátiles', el desarrollo podría allanar el camino para los tejidos inteligentes de próxima generación que pueden endurecerse para proteger al usuario contra un impacto o cuando se necesita una capacidad de carga adicional.
Las aplicaciones potenciales pueden incluir chalecos a prueba de balas o puñaladas, soporte médico configurable para personas mayores y exoesqueletos protectores para deportes de alto impacto o lugares de trabajo como sitios de construcción.
Publicado hoy 11 de agosto de 2021, 11 a.m. EST en Naturaleza , esta investigación interdisciplinaria es el resultado de una colaboración entre expertos en ingeniería mecánica y fabricación avanzada.
El autor principal del artículo, el profesor asistente de Nanyang Wang Yifan, dijo que su investigación tiene una importancia fundamental y relevancia industrial y que podría conducir a una nueva tecnología de plataforma con aplicaciones en sistemas médicos y robóticos que pueden beneficiar a la sociedad.
"Con una tela diseñada que es liviana y sintonizable, que se puede cambiar fácilmente de suave a rígida, podemos usarla para abordar las necesidades de los pacientes y la población que envejece, por ejemplo, para crear exoesqueletos que puedan ayudarlos a pararse, transportarcargas y ayudarlos con sus tareas diarias ", dijo el profesor asistente Wang de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la NTU, quien comenzó esta investigación cuando era un investigador postdoctoral en Caltech.
"Inspirándonos en la antigua armadura de cota de malla, utilizamos partículas huecas de plástico que se entrelazan para mejorar la rigidez de nuestras telas sintonizables. Para aumentar aún más la rigidez y la resistencia del material, ahora estamos trabajando en telas hechas de varios metales, incluido el aluminio, que podríautilizarse para aplicaciones industriales a gran escala que requieran una mayor capacidad de carga, como puentes o edificios ".
La autora correspondiente del artículo, la profesora Chiara Daraio, profesora de Ingeniería Mecánica y Física Aplicada G. Bradford Jones de Caltech, dijo: "Queríamos fabricar materiales que pudieran cambiar la rigidez a voluntad. Nos gustaría crear una tela quede blando y plegable a rígido y portante de forma controlable. "
Un ejemplo de la cultura popular sería la capa de Batman en la película de 2005 comienza Batman , que generalmente es flexible pero se puede hacer rígido a voluntad cuando el cruzado con capa lo necesita como planeador.
La ciencia detrás de la tela entrelazada
El concepto científico detrás de la tela de rigidez variable se llama "transición de bloqueo". Esta es una transición en la que los agregados de partículas sólidas cambian de un estado suave similar a un fluido a un estado rígido similar a un sólido, con un ligero aumento en el empaque.densidad. Sin embargo, las partículas sólidas típicas suelen ser demasiado pesadas y no proporcionan suficiente resistencia a la tracción para aplicaciones portátiles.
En su investigación, los autores diseñaron partículas estructuradas, donde cada partícula está hecha de marcos huecos, en forma de anillos, óvalos, cuadrados, cubos, pirámides y diferentes formas de octaedros que luego se entrelazan entre sí. Estas estructuras,conocidas como estructuras entrelazadas topológicamente, se pueden formar en una tela de cota de malla que tiene una baja densidad y, sin embargo, una alta rigidez a la tracción, utilizando tecnología de impresión 3D de última generación para imprimirlas como una sola pieza.
Luego modelaron el número de puntos de contacto promedio por partícula y cuánto se doblará cada estructura en respuesta a la cantidad de tensión aplicada. El equipo descubrió que al personalizar la forma de la partícula, había una compensación entre cuánto peso ellas partículas tendrán versus cuánto se puede doblar la tela y cómo equilibrar los dos factores.
Para agregar una forma de controlar la rigidez de la tela, el equipo encapsuló la tela de la cota de malla en un sobre de plástico flexible y compactaron las telas usando una aspiradora, que aplica presión desde el exterior. La presión de vacío aumenta la densidad de empaque deltejido, lo que hace que cada partícula tenga más contacto con sus vecinas, lo que da como resultado, para el tejido a base de octaedro, una estructura que es 25 veces más rígida. Cuando se forma en una estructura plana en forma de mesa y se bloquea al vacío en su lugar, ella tela puede contener una carga de 1,5 kg, más de 50 veces el peso de la propia tela.
En otro experimento, el equipo dejó caer una pequeña bola de acero 30 gramos, que mide 1,27 cm de diámetro sobre la cota de malla a 3 metros por segundo. El impacto deformó la tela hasta 26 mm cuando estaba relajada, pero porsolo 3 mm cuando estaba rígido, una reducción de seis veces en la profundidad de penetración.
Para mostrar las posibilidades de su concepto de tela utilizando diferentes materiales de origen, el equipo imprimió en 3D la cota de malla con aluminio y demostró que tiene la misma flexibilidad y rendimiento 'suave' que el nailon cuando está relajado y, sin embargo, también podría estar 'atascado''en estructuras que son mucho más rígidas en comparación con el nailon debido a la mayor rigidez y resistencia del aluminio.
Estos mails de cadena metálica podrían usarse en aplicaciones como armaduras corporales, donde deben proteger contra impactos duros y de alta velocidad de objetos afilados. En tal caso, el material de encapsulación o envoltura podría estar hecho de fibras de aramida, comúnmente conocidascomo Kevlar, utilizado como tejido en chalecos antibalas.
En el futuro, el equipo busca mejorar el rendimiento del material y la tela de su cota de malla y explorar más métodos para endurecerla, como a través del magnetismo, la electricidad o la temperatura.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Nanyang . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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