El diseño de estructuras y materiales ha sido tradicionalmente un campo dominado por el estudio de materiales duros y resistentes, como el acero, el hormigón y el vidrio. Sin embargo, el mundo de la ingeniería y la investigación está cambiando, y cada vez más proyectos requieren la optimización de materiales blandos, aquellos que se deforman con facilidad y presentan propiedades dinámicas. Para abordar este desafío, un equipo de investigadores de la Universidad de Tufts ha desarrollado Morpho, un software de código abierto diseñado para modelar y optimizar materiales blandos en diversas aplicaciones, desde corazones artificiales hasta robots con texturas similares a la piel humana.
El desafío del diseño de materiales blandos
Mientras que el diseño estructural de materiales rígidos se basa en principios bien establecidos, la predicción del comportamiento de materiales blandos es un problema mucho más complejo. Este tipo de materiales incluyen tejidos biológicos, membranas, líquidos con respuestas electromagnéticas y sistemas de materiales compuestos.
Por ejemplo, en el diseño de stents cardiovasculares, es crucial entender no solo cómo se comportará el metal del stent, sino también cómo interactuará con los tejidos blandos circundantes. Del mismo modo, en la fabricación de ingredientes farmacéuticos, es fundamental predecir cómo fluirán y se compactarán los materiales en polvo para garantizar una distribución uniforme de los principios activos en cada pastilla.
Morpho: una solución accesible y potente
Morpho ha sido diseñado como un entorno programable de fácil acceso que permite a investigadores e ingenieros abordar problemas de optimización de forma en materiales blandos. A diferencia de los paquetes tradicionales de modelado, que están orientados a materiales rígidos, Morpho está diseñado específicamente para trabajar con geometrías flexibles y materiales adaptativos.
Uno de los aspectos más destacados de este software es su facilidad de uso. Según Tim Atherton, líder del proyecto, incluso estudiantes universitarios sin experiencia previa pueden aprender a manejar Morpho en cuestión de semanas y resolver problemas de investigación de alto nivel.
Cómo funciona Morpho
Morpho emplea un método matemático llamado elementos finitos, que divide el material en pequeños segmentos (como triángulos o tetraedros en 2D o 3D). Cada uno de estos segmentos tiene ecuaciones específicas que modelan sus propiedades, restricciones y las fuerzas que actúan sobre él. Luego, el software resuelve el sistema de ecuaciones completo para predecir la forma óptima del material bajo determinadas condiciones.
Este método permite a Morpho modelar problemas complejos, como:
- Membranas sometidas a presiones y vibraciones, como las de un marcapasos.
- Flujos de partículas en procesos industriales, como la fabricación de café o vino.
- Sistemas híbridos con componentes blandos y duros, como los dispositivos biomédicos.
Aplicaciones de Morpho en el mundo real
El potencial de Morpho abarca múltiples sectores:
- Medicina y biomecánica: Permite diseñar implantes y prótesis más eficientes, modelando con precisión su interacción con tejidos blandos.
- Industria farmacéutica: Optimiza el empaque de polvos y partículas en la fabricación de medicamentos.
- Robótica blanda: Ayuda a diseñar robots con estructuras flexibles, ideales para aplicaciones en cirugía o exploración submarina.
- Ingeniería civil: Contribuye a mejorar la planificación urbana, optimizando el tráfico y la distribución del espacio en ciudades.
- Industria manufacturera: Permite diseñar materiales que cambian de forma en respuesta a factores externos como temperatura o luz.
Un paso hacia el futuro del diseño de materiales
Desde WWWhatsnew, creemos que Morpho representa un avance significativo en el diseño de materiales blandos, ofreciendo una herramienta versátil y accesible para la investigación y la industria. Su enfoque de código abierto permite que cualquiera pueda experimentar con él, fomentando la colaboración y el desarrollo de nuevas aplicaciones innovadoras.
A medida que la tecnología avanza, es probable que veamos una integración cada vez mayor de materiales blandos en la vida cotidiana, desde dispositivos médicos más avanzados hasta robots con habilidades más humanas. Morpho se presenta como una herramienta clave para hacer realidad estos avances.