Un nuevo estudio realizado en colaboración entre el Instituto IMDEA Materiales, la Universidad Politécnica del Noroeste de China, la Academia China de Ciencias, la Universidad de Pekín y la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur ha logrado un importante avance en el campo de los metamateriales mecánicos.

Recientemente publicado en Nature Communications, el trabajo presenta una estrategia de crecimiento irregular que utiliza materiales arquitectónicos desordenados para conseguir ocultamiento y camuflaje mecánico estático.

From order to disorder: a new take on architectured materials

Los materiales arquitectónicos, cuyas propiedades se definen por su geometría más que por su composición, están revolucionando campos que van desde la mecánica y la acústica hasta la robótica y el electromagnetismo.

Mediante el control de la arquitectura de un material: aspectos como su topología, geometría, escala, jerarquía, distribución del material o densidad, los investigadores pueden desarrollar nuevos materiales con propiedades a medida.

Tradicionalmente, estos materiales se diseñan con estructuras altamente periódicas, lo que facilita su fabricación y modelización. Sin embargo, la naturaleza cuenta una historia diferente: materiales biológicos como el hueso, la madera o las alas de los insectos presentan estructuras internas irregulares, y aun así muestran un rendimiento mecánico extraordinario.

Inspirado en esta irregularidad natural, el equipo detrás de la reciente publicación exploró cómo el desorden en sí mismo podría convertirse en un principio de diseño.

Mediante una innovadora regla de crecimiento estocástico, desarrollaron una nueva estrategia de crecimiento irregular que permite crear materiales capaces de alcanzar “invisibilidad mecánica”, haciendo que cavidades internas se comporten como si fueran macizas, o incluso que imiten la respuesta mecánica de formas completamente distintas.

Cloaking and camouflage from complexity

Cuando la mayoría de la gente escucha la palabra ocultamiento (cloaking en inglés), probablemente piense en la capa de invisibilidad de Harry Potter, algo que oculta un objeto a la vista.

Para los científicos de materiales, sin embargo, el ocultamiento tiene un significado muy distinto. En lugar de hacer que un objeto sea invisible al ojo, el ocultamiento mecánico “esconde” un defecto o cavidad interna del campo de tensiones y deformaciones. Mediante el diseño arquitectónico, el material se ingenia de modo que, bajo carga, se comporte como si el defecto no existiera.

El camuflaje, por otro lado, permite que una estructura imite la respuesta mecánica de otra.

Lograr estos efectos ha sido durante mucho tiempo un desafío en mecánica, ya que los enfoques basados en transformaciones que funcionan en óptica o electromagnetismo no pueden aplicarse directamente a los campos de deformación estáticos.

El marco irregular desarrollado en este estudio supera estas limitaciones.

Mediante el ensamblaje de un número reducido de bloques constructivos con rigidez variable, definidos según reglas de crecimiento probabilísticas, los investigadores diseñaron estructuras capaces de funcionar bajo diversas condiciones de contorno y formas de cavidades complejas.

Las estructuras resultantes muestran un rendimiento robusto, manteniendo su capacidad de camuflaje incluso bajo cargas no uniformes o cuando están incrustadas en entornos irregulares. De forma notable, la misma metodología puede producir camuflaje mutuo entre dos cavidades de formas distintas, un logro sin precedentes en la mecánica estática.

From Simulation to Real Materials

El equipo validó su diseño experimentalmente mediante prototipos impresos en 3D, demostrando una fuerte concordancia entre las simulaciones y las mediciones físicas.

Los investigadores también extendieron su marco de trabajo a aplicaciones tridimensionales, visualizando posibles usos que abarcan desde sistemas de protección y control de vibraciones hasta refuerzo de túneles, robótica y tecnologías de retroalimentación háptica.

En el ámbito de la robótica blanda, el camuflaje podría permitir componentes capaces de ocultar sus firmas estructurales, o en dispositivos biomédicos, materiales diseñados para replicar la respuesta táctil de los tejidos humanos.

Además, en entornos de realidad virtual y aumentada, este tipo de arquitecturas podría sentar las bases de interfaces capaces de generar sensaciones táctiles realistas mediante la imitación mecánica.