Investigadores de la Universidad McGill han desarrollado un nuevo método para plegar hojas planas y formar capas lisas y curvadas, capaces de pasar, según lo necesario, de un estado flexible a un estado rígido que pueda soportar cargas.
Gracias a un modelo de origami en el que integran elementos similares a cables, el equipo puede controlar tanto la forma tridimensional final del material como su grado de rigidez. Según los investigadores, esta innovación, un "módulo de lente de doble curvatura", podría hacer avanzar la tecnología aplicada a objetos como tiendas de emergencia, robots de morfología variable y tejidos inteligentes.
"Las estructuras plegables existentes nos obligan a hacer un compromiso: si son lisas y curvadas, tienden a ser flexibles y flácidas; si son sólidas y rígidas, generalmente tienen formas angulosas, irregulares, poco prácticas y difíciles de ajustar después del montaje", explica Damiano Pasini, coautor del estudio y profesor de ingeniería mecánica en la Universidad McGill.
"Esto representa una limitación importante para tecnologías como los dispositivos portátiles, los implantes médicos, los robots blandos y las estructuras espaciales desplegables que, para soportar bien las fuerzas ejercidas desde el exterior, a menudo deben tener formas lisas y una resistencia fiable."
Para solucionar este problema, el equipo diseñó un modelo de origami con pliegues curvos que forma superficies lisas de doble curvatura, como esferas o toros (formas de dona). La estructura así formada puede "bloquearse" en un estado rígido capaz de soportar cargas. Gracias a la adición de tendones internos cuya tensión se puede ajustar, se puede reprogramar luego esta misma estructura para hacerla ultrasuave o muy rígida, sin modificar su forma ni sus materiales.
Cables ajustables para modular la rigidez El nuevo modelo de plegado combina pliegues curvos y rectos, lo que permite transformar hojas planas en superficies continuas y lisas en lugar de esas formas angulosas características del origami clásico.
A partir de una forma curva deseada (esfera, toro, jarrón), los investigadores recurrieron a la geometría diferencial —que engloba las teorías matemáticas relativas al teselado, en origami, y a las superficies desarrollables— y luego a la optimización numérica para calcular el esquema de pliegues exacto necesario para que, una vez plegada y bloqueada, la carcasa de origami adopte la forma deseada.
Luego cortaron con láser y plegaron hojas de cartón según ese esquema antes de ensamblarlas para formar cascarones, y después insertaron finos cables ("tendones") en lugares precisos.
"Al tensar o aflojar los tendones, medimos la evolución de la rigidez y demostramos que los cascarones podían pasar de un estado flácido y flexible a un estado rígido y resistente a la torsión y la flexión", cuenta el profesor Pasini.
Validados con la teoría de la mecánica, el origami rígido y simulaciones geométricas, los resultados confirman que la cinemática del plegado, es decir, los movimientos del objeto, es factible. Las simulaciones también confirmaron que las superficies permanecían lisas y que el esquema podía ampliarse y repetirse en mosaico.
Un nuevo paradigma de diseño Según Damiano Pasini, estos trabajos abren el camino a un nuevo paradigma de diseño de metamateriales inspirados en el origami.
"Nuestro enfoque abre nuevas perspectivas para el diseño de estructuras curvas portantes, desplegables y adaptativas. Nuestros resultados cuestionan la idea de que habría que recurrir a materiales complejos o sistemas externos para obtener una rigidez ajustable. Más bien demuestran que una geometría inteligente puede hacer gran parte del trabajo."
El estudio El artículo titulado "Smooth doubly curved origami shells with reprogrammable rigidity", por Morad Mirzajanzadeh y Damiano Pasini, fue publicado en Nature Communications.
Fuente: Universidad McGill