Pesquisadores criaram uma estrutura de polímero em forma de "lanterna chinesa" que pode se transformar rapidamente em mais de uma dúzia de formas curvas tridimensionais, comprimindo ou torcendo a estrutura original. Esse comportamento de deformação rápida pode ser controlado remotamente por campos magnéticos, tornando-o adequado para uma variedade de aplicações. O artigo de pesquisa relacionado, "Morfogênese de dobramento reprogramável de células de cluster em forma de fita livremente suspensas via armazenamento elástico de energia", foi publicado na Nature Materials. Os autores incluem Caizhi Zhou e Haitao Qing, estudantes de doutorado na Universidade Estadual da Carolina do Norte, e Yinding Chi, ex-aluno de pós-graduação na Universidade Estadual da Carolina do Norte e atualmente pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Pensilvânia.

Essa estrutura básica de lanterna é obtida cortando-se primeiro uma folha de polímero em paralelogramos em forma de diamante. Em seguida, uma fileira de linhas paralelas é cortada no centro de cada folha, formando uma fileira de fitas idênticas conectadas por tiras sólidas nas partes superior e inferior da folha. Ao conectar as extremidades esquerda e direita das tiras sólidas superior e inferior, a folha de polímero forma uma estrutura tridimensional aproximadamente esférica semelhante a uma lanterna chinesa.

Jie Yin, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade Estadual da Carolina do Norte e autor correspondente do artigo, explica que essa forma básica é inerentemente biestável, o que significa que possui duas configurações estáveis. Embora possa manter sua forma de lanterna, se a estrutura for comprimida de cima para baixo, ela começa a se deformar lentamente até atingir um ponto crítico, momento em que se transforma repentinamente em uma segunda configuração estável, semelhante a um pião. Nessa configuração de pião, a estrutura armazena toda a energia usada para comprimi-la. Assim, se a estrutura for puxada para cima, ela atinge um ponto em que toda a energia armazenada é instantaneamente liberada, fazendo com que ela retorne rapidamente à sua forma de lanterna.

Yangdi Yi, principal autor do artigo, ex-estudante da Universidade Estadual da Carolina do Norte e atualmente pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Pensilvânia, explica que eles descobriram que, ao torcer a forma, dobrar as tiras sólidas na parte superior ou inferior da lanterna para dentro ou para fora, ou qualquer combinação dessas operações, é possível criar inúmeras outras formas. Cada uma dessas variações também exibe propriedades multiestáveis. Algumas podem alternar entre dois estados estáveis, enquanto outras possuem quatro estados estáveis, dependendo se a estrutura está comprimida, torcida ou ambos.

Ao fixar uma fina película magnética a uma tira sólida na base da estrutura, os pesquisadores conseguiram comprimir ou torcer remotamente essas estruturas usando um campo magnético. Posteriormente, demonstraram diversas aplicações que exploram a rápida transição entre as duas formas estáveis, incluindo pinças não invasivas para captura de peixes, filtros que abrem e fecham para controlar o fluxo de água e estruturas que podem se expandir rapidamente de uma forma compacta para uma forma alta, abrindo canos colapsados.

Os pesquisadores também desenvolveram um modelo matemático que captura como diferentes ângulos na estrutura controlam cada mudança de forma e a energia armazenada em cada estado estável. Yi Yangdi explica que esse modelo permite especificar a forma desejada, sua estabilidade e a força que ela pode gerar quando a energia potencial armazenada é convertida em energia cinética — tudo crucial para criar formas capazes de executar a aplicação pretendida.

Yi Jie afirma que, no futuro, essas unidades de lanternas poderão ser montadas em estruturas bidimensionais e tridimensionais para uma ampla gama de aplicações em metamateriais mecânicos de transformação de formas e robótica, e que eles explorarão ainda mais essas aplicações.