Metamateriali: macchine o materiali?

Si chiamano metamateriali. Sono strutture artificiali caratterizzate da proprietà meccaniche definite dalla trama ripetitiva con la quale sono disposte le “celle” di cui sono costituiti, più che dal materiale stesso con cui sono realizzati. Sulla base di questo concetto i ricercatori di tutto il mondo hanno creato materiali dal comportamento insolito: che collassano improvvisamente se compressi, che si deformano in due dimensioni se compressi in una sola dimensione, che mescolano strati di celle rigide e flessibili per imitare le prestazioni di altri materiali, che si comportano come “solidi liquidi”, ovvero sono difficili da comprimere ma facili da deformare. Ma l’intento dei ricercatori dell’Hasso Pratt Institute (HPI) di Potsdam, in Germania, è ancora diverso: concepire i metamateriali come macchine, cioè oggetti che permettono un movimento direzionale controllato tramite funzionalità meccaniche.

Metamateriali: strutture intrinsecamente dinamiche

Essendo costituiti da un unico pezzo, i metamateriali così intesi possono essere realizzati con metodi molto semplici – per esempio usando stampanti 3D monomateriali – e non richiedono assemblaggio né lubrificazione, poiché il loro movimento avviene tramite deformazione e non genera attrito. Parlando invece dei loro limiti, la struttura ottenuta sommando più celle rende l’oggetto rigido, perciò i metamateriali possono muoversi quando su di essi sono applicate forze consistenti e non permettono movimenti rotativi. Inoltre, le prestazioni della stampante 3D costituiscono un limite per la geometria delle celle: quelle soggette a deformazione hanno bisogno di elementi cerniera sottili, che si possono ottenere solo lavorando con un sistema ad alta risoluzione.
La stampa 3D ha dato un forte impulso alle scoperte sui metamateriali, poiché permette di realizzare strutture porose, che riducono la resistenza alla compressione uniforme, o di distribuire il materiale secondo un pattern volto a raggiungere un grado di rigidità predefinita in aree ben precise. Integrare dei meccanismi nei metamateriali, però, non è impresa facile, perché richiede una distribuzione spaziale specifica sia per le celle sia per i blocchi di celle che attivano la funzionalità del meccanismo.

Un editor facilita i movimenti
Il team di ricercatori dell’HPI (Alexandra Ion, Johannes Frohnhofen, Ludwig Wall, Robert Kovacs, Mirela Alistar, Jack Lindsay, Pedro Lopes, Hsiang-Ting Chen, Patrick Baudisch) hanno elaborato un editor 3D che permette agli utenti di creare e modificare i meccanismi metamateriali assemblando celle specializzate in meccanismi semplici, che a loro volta saranno aggregati in meccanismi più complessi. Con questo editor hanno realizzato i progetti per produrre a titolo esemplificativo il chiavistello di una porta, una scultura cinetica che “cammina” (forse la più nota tra le molte realizzazioni dell’artista olandese Theo Jansen) e un paio di pinze, tutti stampati in 3D con sistema FDM (Fused Deposition Modelling) Ultimaker 2 e filamenti NinjaFlex e SemiFlex di NinjaTek.

Abbassando la maniglia il fascio di celle flessibili che fungono da cerniera si deforma e spinge il chiavistello verso il basso aprendo la porta
Abbassando la maniglia il fascio di celle flessibili che fungono da cerniera si deforma e spinge il chiavistello verso il basso aprendo la porta

Il chiavistello e le celle cerniera

Il vantaggio dei meccanismi metamateriali è la loro semplicità: un chiavistello tradizionale si compone di più parti (asse, sospensioni, molle…), mentre il chiavistello metamateriale è costituto da un unico blocco che raggruppa le celle cui è demandata la funzione meccanica. Il meccanismo è costituito da parti rigide e da parti deformabili. Entrambe sono formate da celle disposte secondo una griglia a spaziatura uniforme: possono essere rese rigide o flessibili rafforzando o indebolendo i loro legami, per esempio connettendo due celle in diagonale e creando una cerniera, ovvero un legame flessibile. Se le celle sono piccole e la cerniera sottile il meccanismo è fragile; per evitarlo i ricercatori hanno accostato più elementi cerniera creando un assieme che flette in modo concorde con la cerniera principale. Il gruppo di cerniere all’interno della rotazione asseconda per compressione un movimento di deformazione: si deforma con conformità mentre le parti rigide restano tali, tuttavia, quando la cerniera principale è sottoposta a trazione, la presenza dell’assieme evita la tensione, che rimane concentrata sulla cerniera principale. Per scongiurare la rottura, al fascio di celle cerniera sono state aggiunte celle rigide che costringono le prime a seguire il movimento della cerniera principale assumendo parte del carico cui è sottoposta.

Una struttura a quattro barre, altra tipologia di metamateriale, è il cuore funzionale di un paio di pinze: stringendo le impugnature, il fascio di elementi cerniera posto al centro trasmette la forza applicata alle prese che si chiudono
Una struttura a quattro barre, altra tipologia di metamateriale, è il cuore funzionale di un paio di pinze: stringendo le impugnature, il fascio di elementi cerniera posto al centro trasmette la forza applicata alle prese che si chiudono

Quattro barre, un paio di pinze

Sfruttando l’idea di collegare elementi rigidi a un elemento cerniera centrale è possibile creare strutture a “quattro barre”. La pinza realizzata dai ricercatori tedeschi si basa proprio su questo concetto: esercitando una forza sulle parti che costituiscono l’impugnatura, le parti di presa si muovono in modo antisimmetrico rispetto alla cerniera.

Cerniere rotanti per una scultura cinetica

Finora abbiamo parlato solo di celle rigide, anche se, senza farlo esplicitamente, nella descrizione della struttura a quattro barre abbiamo introdotto un secondo tipo di celle, quelle progettate per deformarsi. A differenza delle celle rigide, queste sono progettate per deformarsi quando viene applicata una forza di taglio.

Quando una cella di taglio è soggetta a forze di compressione si deforma fino a compattarsi completamente seguendo una traiettoria circolare
Quando una cella di taglio è soggetta a forze di compressione si deforma fino a compattarsi completamente seguendo una traiettoria circolare

In pratica, quando sottoposte a compressione, le celle di taglio si piegano seguendo una traiettoria circolare fino a che tutti gli elementi che compongono la cella si compattano tra di loro. Dal momento che le celle capaci di deformarsi sono unità elementari di una struttura a griglia, sono sempre orientate lungo direzioni cardinali. Per permettere ad altre forze applicate di agire in direzioni diverse, i ricercatori hanno introdotto cerniere rotanti, ottenute combinando gruppi di 2 per 2 celle, ciascuno dei quali contiene solo una diagonale.

La cella rotante
La cella rotante

Combinando cerniere standard e rotanti gli ingegneri dell’HPI hanno realizzato le zampe della scultura cinetica Jansen. Ogni zampa è costituita da sei cerniere che si muovono in modo organico quando il centro della struttura compie un moto rotatorio grazie all’azionamento di una manovella. Per evitare che, oltre a ruotare, le zampe traslino, sono state vincolate aggiungendo due cerniere per mantenerle disaccoppiate e al contempo a distanza costante, così da permettere loro di muoversi in maniera indipendente l’una dall’altra.

Combinando cerniere standard e rotanti gli ingegneri di HPI hanno realizzato le zampe della scultura cinetica Jansen. Mettendo in moto il centro tramite una manovella le zampe si deformano e “camminano”
Combinando cerniere standard e rotanti gli ingegneri di HPI hanno realizzato le zampe della scultura cinetica Jansen. Mettendo in moto il centro tramite una manovella le zampe si deformano e “camminano”

Istruzioni per l’uso

Il materiale ideale per un meccanismo metamateriale è molto elastico, ritorna alla forma originale senza deformarsi in modo permanente e può sopportare forze elevate senza rompersi. Tra i polimeri per stampa 3D facilmente disponibili, quelli elastici come i TPU NinjaFlex e SemiFlex di NinjaTek, divisione di Fenner Drives, soddisfano bene questi requisiti, meglio del PLA e di altre resine che polimerizzano alla luce. Prove condotte sulla scultura cinetica di Jansen stampata con NinjaFlex hanno dimostrato la capacità di resistere a 5.000 cicli, realizzati azionando il meccanismo con un trapano (120 giri al minuto), senza cedimento o rottura.
«Il nostro approccio fornisce benefici tangibili agli utenti, perché risolve problemi meccanici con meccanismi costituiti da un unico pezzo, eliminando la necessità di assemblaggio. Sul piano della ricerca, apre la strada alla possibilità di ottenere un’integrazione più profonda tra le funzioni strutturali e meccaniche dei materiali», osservano i ricercatori dell’Hasso Pratt Institute.

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