Investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology) han desarrollado un sistema de componentes modulares impresos en 3D para construir dispositivos inteligentes reconfigurables que mantienen sus conexiones eléctricas aunque cambien de forma. La propuesta permite diseñar estructuras interactivas capaces de detectar la configuración que han adoptado sin cableado entre módulos. El prototipo mantiene una conexión USB externa en el nodo raíz; su eliminación mediante comunicación WiFi se plantea como trabajo futuro.
Los módulos, denominados bifur-circuits por el equipo, están pensados para acelerar el diseño y el prototipado de dispositivos adaptables. Entre las aplicaciones planteadas figuran mobiliario asistencial que ayude a cambiar de postura durante procesos de recuperación, pinzas robóticas reconfigurables que conserven la conectividad eléctrica en distintos usos y antenas capaces de variar su forma para ajustar sus frecuencias ante condiciones ambientales cambiantes.
El sistema se basa en metamateriales mecánicos, estructuras tridimensionales programables formadas por unidades repetidas cuya geometría permite movimientos complejos. En el estudio, los investigadores demostraron varios objetos interactivos, incluida una silla con almacenamiento que se transforma en mesa y que también puede aplanarse para guardarse; la estructura identifica su configuración y envía el mensaje correspondiente a una pantalla electrónica.
Metamateriales con conectividad eléctrica
Los metamateriales mecánicos pueden doblarse o torsionarse de forma precisa cuando se comprimen, empujan o estiran. Un caso citado por el equipo son los metamateriales auxéticos, que se ensanchan al estirarse en lugar de estrecharse. En trabajos anteriores, los investigadores del MIT utilizaron este tipo de estructuras para crear antenas reconfigurables con tres formas posibles, lo que permitía ajustar dinámicamente su rango de frecuencia sin piezas móviles complejas.
La limitación de ese enfoque era que los metamateriales auxéticos solo ofrecían tres estados fijos. En el nuevo trabajo, los bifur-circuits amplían el número de configuraciones posibles mediante unidades modulares que pueden conectarse y rotarse de distintas maneras. Además, integran material conductor de forma que las conexiones eléctricas se mantienen aunque el objeto se gire, se presione o se retuerza para adoptar nuevas geometrías.
La clave técnica del sistema es la bifurcación mecánica, un cambio brusco en el comportamiento de un mecanismo cuando la fuerza aplicada supera un umbral. El texto lo compara con una regla de plástico que se arquea al doblar sus extremos una vez alcanzado un punto crítico. En los bifur-circuits, esa bifurcación se produce cuando los bloques conectados rotan de determinadas formas alrededor de un punto de pivote, lo que genera configuraciones más estables que las que podría ofrecer un bloque aislado.
Pruebas, fabricación y aplicaciones
Al añadir más bifur-circuits a una estructura, el número de configuraciones potenciales aumenta de forma exponencial. La conexión y rotación de los componentes activa circuitos únicos entre unidades adyacentes, lo que permite que los módulos se comuniquen entre sí y que la estructura reconozca su propia forma.
Uno de los principales retos del desarrollo fue incorporar un material conductor suficientemente flexible para doblarse y, al mismo tiempo, eficiente para el paso de la electricidad. Tras ajustar el diseño, el equipo evaluó la durabilidad de las estructuras reconfigurables mediante más de 10.000 compresiones, sin observar degradación en la conectividad eléctrica.
Los investigadores también crearon una herramienta de construcción y simulación orientada a simplificar el diseño de bifur-circuits. El software genera instrucciones para fabricar los componentes mediante impresión 3D multimaterial para su posterior ensamblaje.
Para demostrar la versatilidad del sistema, el equipo fabricó una silla que detecta su geometría cuando se transforma en una mesa de té, así como un controlador que cambia de forma y lanza distintos videojuegos en función de su configuración. A futuro, los bifur-circuits podrían emplearse en herramientas interactivas de rehabilitación, pinzas cambiantes para robots blandos modulares o refugios reconfigurables capaces de responder a condiciones ambientales variables tras un desastre natural.
El trabajo tiene como autora principal a Marwa AlAlawi, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica. También participan como coautores sénior Ticha Sethapakdi, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática (EECS) del MIT, y Stefanie Mueller, profesora asociada en los departamentos de EECS e Ingeniería Mecánica del MIT y responsable del Human-Computer Interaction Group en el Computer Science and Artificial Intelligence Lab (CSAIL). El artículo incluye además coautores del MIT, la Universidad de Tokio y la Universidad de Michigan, y se presentará en el ACM Symposium on User Interface Software and Technology. La investigación recibió financiación parcial de la Japan Science and Technology Agency y del Bahrain Crown Prince International Scholarship Program.