Los investigadores crearon microestructuras para proteger un defecto con forma de conejo. Crédito: Paulino et al/Universidad de Princeton
Ya sea que diseñe una ventana en un avión o un conducto de cable para un motor, los fabricantes dedican mucho esfuerzo a reforzar las aberturas para la integridad estructural. Pero el refuerzo rara vez es perfecto y a menudo crea debilidades estructurales en otros lugares.
Ahora, los ingenieros del Instituto de Tecnología de Princeton y Georgia han desarrollado una técnica que puede mantener la integridad estructural al ocultar esencialmente la apertura de las fuerzas circundantes. En lugar de reforzar la abertura para proteger contra algunas fuerzas selectas, el nuevo enfoque reorganiza casi cualquier conjunto de fuerzas que puedan afectar el material circundante para evitar la abertura.
En un artículo, titulado “capas mecánicas imparciales” en los procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, los investigadores dijeron que rodearon aberturas con microestructuras diseñadas para proteger contra muchas cargas, fuerzas exteriores que causan estrés, movimiento o deformación. La forma y la orientación de las microestructuras se calibran para trabajar con las cargas más desafiantes que enfrentan la estructura, lo que permite a los diseñadores contrarrestar múltiples tensiones a la vez.
“Piense en un plato con un agujero. Si lo pone bajo estrés, si lo atrae, obtendrá una concentración de estrés donde la placa falla antes de lo que lo haría sin el agujero”, dijo Emily D. Sanders, profesora asistente de ingeniería mecánica en Georgia Tech y uno de los autores. “Queremos diseñar algo alrededor de este agujero, o defecto, por lo que parece que el agujero no existe”.
La escala de color indica la densidad de las microestructuras en la capa física. Las áreas rojas son más densas, el amarillo está en el medio y el azul es el menos denso. Crédito: Paulino et al/Universidad de Princeton
Glaucio Paulino, autor principal y profesor de ingeniería de Margareta Engman Augustine en Princeton, dijo que los diseñadores generalmente refuerzan la estructura en aberturas como ventanas o túneles. Pero dijo que al aumentar la fuerza estructural en una dirección, el refuerzo puede introducir otros problemas creando nuevos estrés en una dirección diferente.
El objetivo de la técnica de tubo es proteger la estructura redirigiendo la fuerza sin crear niveles de estrés nuevos o indeseables.
Los investigadores se inspiraron en nudos en los árboles, donde parece que las microestructuras en los nudos de los árboles la fuerza directa alrededor del sitio de intrusiones como ramas o raíces y mantienen la resistencia estructural. Los investigadores querían saber si podían diseñar estructuras para hacer lo mismo en materiales fabricados.
Paulino dijo que la técnica se basa en dos problemas de optimización, que están diseñados para seleccionar las mejores soluciones de una variedad de opciones. El primer problema descubre las cargas que producirán el mayor desafío para la estructura del objeto. Esto es más desafiante de lo que parece porque las cargas en una estructura o una máquina pueden cambiar con las circunstancias.
“Cualquier estructura puede tener un número infinito de cargas. Cada vez que conduce su automóvil, las cargas son diferentes, el viento puede soplar en diferentes direcciones o la temperatura puede fluctuar”, dijo Paulino.
La misma capa sin marcar para la densidad. Crédito: Paulino et al/Universidad de Princeton
Los investigadores encontraron que calcular de seis a 10 de las cargas de peores casos para una estructura produce los resultados más efectivos. Con esa información, ejecutan un segundo problema de optimización para encontrar la forma más efectiva de crear e implementar microestructuras que rodeen la ventana o el conducto.
“La técnica de optimización introducida por los autores representa una metodología innovadora para lograr la invisibilidad de un defecto, independientemente de la dirección de cualquier fuerza aplicada externamente”, dijo Davide Bigoni, profesor de mecánica sólida y estructural en la Universita ‘di Trento en Italia.
“Esto da como resultado un encubrimiento omnidireccional, una propiedad con amplias aplicaciones. Estos incluyen garantizar la neutralidad de estrés mecánico en el reemplazo de tejido de órganos, modificar elementos estructurales para facilitar el paso de instalaciones en maquinaria o infraestructura civil, y mejorar la restauración de las obras de arte”.
La idea es similar a las técnicas de encubrimiento que se han desarrollado para ocultar objetos en el espectro electromagnético, como la aeronave sigilosa. Paulino explicó que las ecuaciones para material sólido pueden ser más desafiantes que las del electromagnetismo. Pero dijo que el objetivo es el mismo.
“Cualquier perturbación elástica está oculta por la capa”, dijo. “Es como si no existiera”.
Más información: Paulino, Glaucio H., capas mecánicas imparciales, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2025). Doi: 10.1073/pnas.2415056122. doi.org/10.1073/pnas.2415056122
Proporcionado por la Universidad de Princeton
Cita: El encubierto físico funciona como un acto de desaparición para defectos estructurales (2025, 5 de mayo) Recuperado el 5 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-physical-cloaking-defects.html
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