El ingenioso sistema que cambiará la construcción: tubos inspirados en el bambú para soportar 60 veces su peso

El arte ancestral del origami suele relacionarse con el plegado de papel para obtener todo tipo de formas, la clásica papiroflexia que conocemos en España, pero tiene muchas otras posibles aplicaciones. En los últimos años diversos avances en sectores aparentemente tan alejados como el aeronáutico, el diseño de mobiliario o la construcción han aprovechado sus fundamentos para ofrecer soluciones innovadoras a distintos problemas. Ejemplo de ello son las estructuras de celosías de aluminio para hacer aviones más ligeros y resistentes o las ingeniosas placas solares plegables que se colocan en segundos para tener energía al instante. 

Su utilidad se basa en las posibilidades que ofrece para plegar y desplegar estructuras, algo muy útil en distintos sectores, en los que se requiere facilidad de transporte y gran resistencia y rigidez una vez desplegadas. El último avance en ese sentido proviene de Australia, donde científicos de la Universidad de Queensland y la Universidad Real Instituto de Tecnología de Melbourne (RMIT) han desarrollado un nuevo sistema estructural tubular. Es ligero y puede transportarse fácilmente completamente plano cuando no se utiliza y, al desplegarse, se autobloquea sin intervención humana para soportar cerca de 60 veces su peso.

En el estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) se detallan los métodos de fabricación y las funciones de estas estructuras con un sistema de "autobloqueo resultado de un diseño geométrico inteligente", según Jeff Lee, de la Escuela de Ingeniería del RMIT. "Nuestro invento es apto para su uso a gran escala: un panel de apenas 1,3 kg fabricado con múltiples tubos puede soportar fácilmente a una persona de 75 kg", afirma en un comunicado de prensa.

Cómo funciona

Las estructuras tubulares desplegables como las desarrolladas por los ingenieros del RMIT están diseñadas para su posterior expansión funcional y tienen una amplísima gama de aplicaciones, desde tuberías flexibles hasta elementos estructurales utilizados en el sector aeroespacial, pasando por edificios temporales para acoger a víctimas de desastres naturales o dispositivos médicos.

Sin embargo, históricamente hay dos elementos que no siempre están equilibrados para optimizar el rendimiento de este tipo de estructuras, la capacidad de expansión y la rigidez. A menudo, estas estructuras tienen que sacrificar una por otra: si son demasiado flexibles no consiguen soportar mucho peso, y si son demasiado rígidas su plegado no consigue reducir su tamaño lo suficiente para que sean fácilmente transportables.

El equipo de investigadores detrás de las estructuras tubulares RMIT University / Will Wright Omicrono

Para resolver este conflicto, el equipo liderado por Jeff Lee y Mike Xie se han inspirado en la estructura del bambú y han recurrido a técnicas inspiradas en el origami de pliegues curvos para lograr la máxima flexibilidad y rigidez. La clave son unos diafragmas internos que, al desplegarse, se autobloquean para ofrecer la rigidez necesaria.

El bambú, que se sigue utilizando en construcción y puede ser el doble de resistente que el hormigón en determinadas condiciones, es un material natural con estructuras internas que le sirven como refuerzo sin perder flexibilidad. El equipo del RMIT reprodujo esta característica mediante un diseño geométrico inteligente, en el que el pandeo elástico de la carcasa se 'endurece' cuando la estructura se despliega.

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"Cuando la NASA despliega paneles solares, por ejemplo, los brazos utilizados son tubos que se empaquetan planos antes de desplegarse en el espacio", explica Lee. "Nuestros nuevos tubos, inspirados en los principios del origami, podrían ofrecer una mayor resistencia estructural en diversas condiciones".

Fabricación y aplicaciones

El armazón plano y los componentes de los diafragmas para los prototipos se cortaron con precisión con láser a partir de láminas de polietileno tereftalato de glicol (PETG), un tipo de plástico con un grosor final de entre 0,10 y 0,15 mm. Dada su fácil escalabilidad, pusieron a prueba su rendimiento con distintos tamaños de los componentes, poniendo como ejemplo la estructura que pesa sólo 1,3 kg y puede soportar 75 kg, es decir, 57,6 veces su peso.

Mike Xie (izquda.) y Jeff Lee (dcha.), principales autores del estudio sobre estructuras tubulares RMIT University / Will Wright Omicrono

Para adaptar cada uno de los elementos, recurrieron a un algoritmo inteligente para estudiar cómo se comportarían los tubos bajo diferentes fuerzas. Así comprobaron que, si se cambia la orientación de los diafragmas, se puede adaptar la resistencia y flexibilidad de toda la estructura a las necesidades específicas de cada momento.

"Con nuestra innovación inspirada en el origami, los tubos planos no sólo son fáciles de transportar, sino que también son lo bastante resistentes para soportar fuerzas externas cuando se utilizan", explica Mike Xie. "Además, el tubo se autobloquea, lo que significa que su forma queda firmemente bloqueada en su sitio sin necesidad de mecanismos adicionales ni de intervención humana".

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Según señalan en su estudio, estos tubos tienen "aplicaciones potenciales en diversos campos en los que se emplean ampliamente las estructuras tubulares desplegables, como la biomedicina, la industria aeroespacial, la construcción y la robótica". Para avanzar en su desarrollo y ampliar sus posibles funciones, el equipo está explorando el uso de nuevos materiales y distintos métodos de fabricación.

Entre los próximos pasos de su investigación, Lee comenta su intención de "ampliar la función de autobloqueo a otras formas de tubo y comprobar su comportamiento ante diversas fuerzas, como la flexión y la torsión". El objetivo es hacerlos aún más versátiles y resistentes ante cualquier eventualidad.