Una hoja de papel dejada sobre una mesa mojada se ondula y levanta los bordes. Nadie controla ese movimiento, pero ocurre según las mismas leyes que el crecimiento de una planta: unas zonas de la hoja se contraen más que otras, y la forma plana se convierte en volumen. Los ingenieros llevan mucho tiempo queriendo domesticar ese proceso para que una pieza plana se pliegue sola en la escultura deseada. En este nuevo trabajo lo han logrado con una precisión de alrededor del uno por ciento.
El secreto está en el contraste. Tras el secado, las varillas conservan el 96% de su tamaño hinchado, mientras que la membrana se encoge hasta el 64%. Esa diferencia de contracción, del 50%, hace que la membrana se tense sobre las varillas como una lona sobre su armazón. Además, la rigidez de las varillas es dos mil veces mayor que la de la membrana, así que no se doblan, solo dirigen la deformación. De este modo, la lámina plana se convierte en una cúpula, una superficie de silla de montar o incluso una celda de giroide, una estructura que antes solo se obtenía con impresión 3D compleja.
Antes no estaba claro si se podía trasladar el diseño inverso de origami a una película polimérica mediante una simple irradiación unilateral. Las películas multicapa auto-plegables requerían una alineación bilateral precisa, y los sistemas de hidrogel solo funcionaban en agua. Aquí, toda la información sobre la forma está codificada en un patrón unilateral, y tras el secado se obtiene una estructura seca y permanente. Basta una impresora LCD doméstica.
La precisión es asombrosa: para la cúpula, la desviación media respecto al objetivo fue del 1,0% de la diagonal del paralelepípedo contenedor; para la superficie hiperbólica, del 2,1%; y para el giroide, del 1,7%. El perímetro resultó clave: si no se trata el contorno, los bordes de la membrana se acortan y tiran de toda la estructura hacia un lado. Las varillas colocadas a lo largo del borde lo fijan como un anillo, y la forma se mantiene fiel.
Una lámina que se pliega sola en una escultura siguiendo líneas invisibles ahora se puede calcular en el ordenador. Esto abre el camino a la producción en rollo de estructuras ligeras desplegables, superficies biomiméticas y elementos de robótica blanda. Y si se sustituye la membrana por un polímero sensible a estímulos, la transformación se vuelve reversible: las láminas planas se podrían almacenar de forma compacta y desplegarse en superficies portantes bajo demanda.
Goethe, en 'La metamorfosis de las plantas' (1790), sugirió que todos los órganos de una planta son hojas modificadas. La mecánica moderna lo confirma: la forma de un órgano está determinada por la deformación no homogénea y el patrón de rigidez, y este mismo principio se reproduce en la película polimérica.
La idea de una lámina plana que se pliega sola en una forma tridimensional compleja según un patrón programado recuerda a la 'materia inteligente' de la ciencia ficción, por ejemplo, los materiales programables en la novela 'La era del diamante' de Neal Stephenson o las estructuras desplegables en la serie 'The Expanse'.