El arte ancestral del kirigami, la versión que permite cortar el papel del más conocido origami, es objeto de estudio por parte de los científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), una de las universidades más importantes del mundo. Han descubierto que los conceptos sobre construcción que se manejan en la técnica japonesa pueden servir para la fabricación de estructuras más ligeras a la par que resistentes con innumerables aplicaciones en la arquitectura e ingeniería.
Los investigadores que han publicado el estudio han conseguido crear un tipo de material arquitectónico de alto rendimiento conocido como "celosía de placas". En esta ocasión, han conseguido llevarlo a una escala mucho mayor de lo que los científicos habían podido lograr anteriormente utilizando impresoras 3D, según explican desde la propia institución académica.
Se basan a su vez en la composición de los sólidos celulares biológicos: materiales compuestos por pequeñas células que forman una estructura con ciertas características mecánicas. Como puede ser el panel de las abejas o mismamente la estructura ósea en los seres humanos.
Ejemplos de construcciones con el método kirigami
Este material les permite crear estructuras tanto de metal como de otros materiales con formas totalmente a demanda y propiedades mecánicas específicamente adaptadas. "Este material es como un corcho de acero", apunta Neil Gershenfeld, profesor del MIT y quien lidera el Centro de Bits y Átos que se ha encargado del estudio. De hecho, "es más ligero que el corcho, pero tiene una gran resistencia y rigidez".
Esta enorme resistencia, durabilidad y ligereza permite alcanzar niveles impensables con los materiales actuales. Abre la puerta a que la fabricación de componentes en aviación, estructuras o ingeniería evolucione ganando cualidades imposibles para una gran variedad de componentes.
Estructura clave y precisa
Los investigadores desarrollaron un proceso de construcción modular en el que muchos componentes más pequeños se conforman, doblan y ensamblan en estructuras en 3 dimensiones. La perfecta definición de un sólido celular. Utilizando este método, tal y como explican, fabricaron estructuras y robots ultraligeros y ultrafuertes que, bajo una carga específica, pueden transformarse y mantener su forma.
Pieza de aluminio corrugado hecha con kirigami
Este tipo de estructuras en celosía se utilizan con frecuencia como núcleos de un tipo de material compuesto conocido como "estructura tipo sándiwch". El ejemplo perfecto de este esquema es el que está presente en las alas de un avión, donde una serie de vigas diagonales que se cruzan forma un núcleo de celosía que se intercala entre un panel superior y otro inferior. Ese núcleo desempeña un papel clave en la resistencia del ala y por ello cumple con ciertos estándares que garantizan una alta rigidez y resistencia, al tiempo de liviandad.
Las celosías de placas son estructuras celulares hechas de intersecciones tridimensionales de placas, en lugar de vigas, que consiguen un alto rendimiento. "Son incluso más fuertes y rígidas que las celosías de vigas, pero su forma compleja hace que sea difícil fabricarlas utilizando técnicas comunes como la impresión 3D, especialmente para aplicaciones de ingeniería a gran escala".
Para hacerlo, el equipo del MIT superó el desafío de la fabricación de la celosía empleando el arte del kirigami, la técnica japonesa para crear formas tridimensionales doblando y cortando papel que se lleva practicando desde, por lo menos, el siglo 7. Para conseguir crear la estructura tipo sándiwch sin ningún tipo de adhesivo o soldadura, los investigadores modificaron el patrón de pliegue común del origami, de modo que las puntas afiladas de la estructura corrugada se transforman en caras. Éstas proporcionan superficies planas a las que se pueden unir las placas más fácilmente con pernos o remaches.
"Las celosías de placas [como las creadas con kirigami] superan a las celosías de vigas en resistencia y rigidez, manteniendo el mismo peso y estructura interna", señala Alfonso Parra Rubio, científico de España que trabaja en este proyecto en el MIT. "La construcción de celosías de placas ha sido tan difícil que ha habido poca investigación a escala macro. Creemos que el plegado es un camino hacia una utilización más sencilla de este tipo de estructura de placas hecha de metales".
Un corcho de acero
La forma en la que los investigadores diseñan, doblan y cortan el patrón de la estructura les permite "ajustar ciertas propiedades mecánicas, como la rigidez, la resistencia y el módulo de flexión". Esta particularidad hace que puedan crear materiales y celosías prácticamente a la carta según las necesidades de la aplicación.
Por ejemplo, según afirman, según la forma en la que se diseñan los pliegues, a algunas células se les puede amoldar para que mantengan su forma cuando se comprimen, mientras que a otras se les puede modificar para que se doblen. "De esta manera, los investigadores pueden controlar con precisión cómo se desformarán diferentes áreas de la estructura cuando se compriman".
Detalle de unión entre los elementos de la celosía
Gracias a que se puede controlar la flexibilidad de la estructura, estas corrugaciones podrían usarse en robots y en otras aplicaciones dinámicas con piezas que se mueven, giran y doblan. Un método perfecto para aplicarlo en las articulaciones de esos robots a los que hacen referencia los científicos.
"Para fabricar cosas como automóviles o aviones, tradicionalmente se invierte mucho en herramientas. Este proceso de fabricación se realiza sin ellas, igual que la impresión 3D", asegura Gershenfeld. "Pero a diferencia de la impresión 3D, nuestro proceso puede establecer el límite para propiedades récord de los materiales".
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Con el método al que hace referencia el científico fabricaron estructuras de aluminio con una resistencia a la compresión de más de 62 kilonewtons, pero con un peso de sólo 90 kilogramos por metro cuadrado. Para ponerlo en perspectiva, el corcho pesa alrededor de 100 kilogramos por metro cuadrado. "Sus estructuras eran tan fuertes que podían soportar tres veces más de fuerza que una corrugación de aluminio típica".
Esta técnica podría aplicarse a diferentes tipos de materiales, más allá del aluminio indicando antes. Por ejemplo en el acero o en compuestos. "Lo que le hace muy adecuada para la producción de componentes livianos y absorbentes de vibraciones para aviones, automóviles o naves espaciales".