Una nuova tecnica per stampare, piegare e distribuire strutture di auto-costruzione potrebbe un giorno rendere molto più facile per i chirurghi posizionare stent arteriosi o astronauti per installare nuovi habitat spaziali leggeri.
Contenuto relativo
- Buckminster Fuller era bravo a idee, terribile in Car Design
- La Nuova Zelanda ha inviato un razzo stampato in 3D nello spazio
I progetti si basano su un concetto architettonico chiamato "tensegrity", un termine coniato da Buckminster Fuller negli anni '60 (che ha anche brevettato le prime forme di tensegrity nel 1962). Le strutture di tensegrità, o "integrità tensiva", si mantengono in forma tramite montanti rigidi fissati con cavi ad alta tensione interconnessi. Il ponte Kurilpa a Brisbane, in Australia, e una nuova torre di antenne radio in costruzione sulla cima di Santiago, la collina del Metropolitan Park in Cile, sono due esempi tipici di strutture tensegrity.
Sebbene siano molto forti, sono pesanti, poiché sono costruiti con puntoni e cavi metallici. Gli ingegneri della Georgia Tech Glaucio Paulino e Jerry Qi volevano applicare quegli stessi vantaggi tensivi agli oggetti che potevano essere usati per più di ponti e antenne, come habitat spaziali o stent cardiaci.
Paulino e Qi hanno ideato un metodo per creare versioni stampabili 3D, leggere e pieghevoli di questi disegni, con tubi realizzati in un materiale simile alla plastica chiamato polimero a memoria di forma collegato con tendini elastici stampati.
Riscaldando i tubi, il materiale del puntone viene programmato per "ricordare" la configurazione aperta. Può quindi essere appiattito e piegato, e una volta che l'intero design viene nuovamente esposto al calore, l'intero pacchetto si sviluppa lentamente nella sua configurazione finale aperta, senza motori coinvolti.
Paulino e Qi hanno anche scoperto che programmando diverse parti dei loro progetti per svolgersi a temperature variabili, i loro progetti potevano disimballarsi in più fasi per evitare che i cavi si aggrovigiassero.
Poiché l'intero design può essere ridotto in un pacchetto che è essenzialmente completamente assemblato, occupa molto meno spazio rispetto ai tradizionali progetti di tensegrity.
"Se si confrontano i disegni tensegrity con qualsiasi altro tipo di struttura, sono estremamente leggeri e molto resistenti", afferma Paulino. "La bellezza di questo sistema è che esiste un ulteriore grado di libertà che consente alla tensegrità di deformarsi, cambiare forma, cambiare radicalmente la forma e supportare qualsiasi tipo di carico in qualsiasi direzione."
I modelli di laboratorio di Paulino e Qi hanno le dimensioni di un giocattolo da tavolo di un bambino, largo da quattro a cinque pollici su un lato, e non assomigliano affatto a una catasta di bastoncini altamente organizzata tenuta in posizione da una lenza tesa. Quando sono completamente aperti, i montanti sono duri e rigidi, mentre i cavi elastici sono più morbidi e più flessibili. I disegni, quando completamente assemblati, hanno un po 'di cedimento: se li stringi, la forma si deformerà. Ma tornano in forma quando vengono rilasciati.
Il team ha utilizzato i bagni di acqua calda per dimostrare come funziona il processo di disimballaggio ad alta temperatura, ma anche uno strumento come una pistola termica o un asciugacapelli farebbe il trucco. Deve solo essere coerente, il che, allo stato attuale dello sviluppo, può essere problematico, afferma Paulino. Anche il controllo delle vibrazioni è stata una sfida in altri tipi di progetti tensegrity.
Paulino e Qi hanno scelto di utilizzare progetti semplici per facilitare i test di laboratorio, ma Paulino afferma che non c'è limite a ciò che si potrebbe fare sul fronte del design.
La loro idea è che le strutture di tensegrità dei polimeri possano essere ridimensionate e rese molto più complesse, come per le strutture spaziali, o verso il basso, fino alle dimensioni di qualcosa che potrebbe adattarsi al corpo umano. Immagina uno stent che potrebbe essere inserito in un'arteria, dice Paulino, che si auto-schiude una volta in posizione. O se le strutture legate allo spazio dovessero essere realizzate con polimeri a memoria di forma simile, peserebbero anche molto meno di una struttura simile in metallo, consentendo lanci più economici di telai preassemblati che potrebbero essere utilizzati per laboratori o abitazioni in spazio.
Questi sono ancora concetti a questo punto, anche se ha aggiunto che ha avuto un certo interesse da parte dei colleghi medici e che la NASA ha già esplorato la tensegrità come approccio per future missioni spaziali.
Robert Skelton, che per decenni ha studiato tensegrity per applicazioni oceaniche e spaziali presso la Texas A&M University, afferma che il lavoro di Paulino e Qi ha un vantaggio in termini di efficienza rispetto ad altri tipi di progetti tensegrity.
"Un bel vantaggio del lavoro di Paulino e Qi è la piccola quantità di energia necessaria per irrigidire i [montanti]", ha scritto Skelton via e-mail. Skelton ha aggiunto che un simile principio è in atto quando si estrae una misura di nastro metallico: è pre-sollecitato per essere leggermente curvo quando viene estratto, ma piatto mentre arrotolato. Gli elementi strutturali precompressi sono stati un approccio importante per la costruzione dello spazio, come ad esempio sul telescopio spaziale Hubble, i cui array solari sono stati distribuiti con tali strisce metalliche precompresse che sono rigide una volta completamente aperte.
"L'impatto [delle strutture di tensegrità a memoria di forma] sarà altrettanto ampio, con una grande varietà di applicazioni, sulla terra e nello spazio", ha aggiunto Skelton.
Quindi la prossima cosa che Paulino dice che lui e Qi affronteranno sta prendendo il loro concetto in scala - su e giù. E poiché tutto ciò che serve è una stampante 3D e il materiale giusto, potrebbe essere fatto da qualsiasi luogo una volta perfezionata la tecnica.
"Ci è voluto del tempo per raggiungere questo livello, ma riteniamo di avere un buon punto di partenza per i prossimi passi", afferma Paulino. “Siamo molto entusiasti. Certamente non sappiamo tutto ciò che deve ancora essere fatto, ma siamo fiduciosi di avere la capacità di fare buoni progressi sull'idea. "
