Software de código abierto que modela los materiales blandos expande las soluciones de ingeniería

Cuando los ingenieros mecánicos y estructurales diseñan máquinas, puentes y edificios, calculan cargas, tensiones y deformación de metal, acero, concreto, vidrio, madera y plástico para encontrar la geometría óptima que tiene cargas con el costo mínimo de material.

Los diseños para materiales relativamente duros que no se deforman demasiado se manejan comúnmente por un software que calcula y optimiza las estructuras utilizando modelos matemáticos que se entienden y se aplican bien.

Pero hay una clase en expansión de desafíos de diseño para cosas que incorporan materiales blandos: materiales biológicos, tejidos de ingeniería, membranas e incluso fluidos que cambian de forma que responden a los campos electromagnéticos. Predecir cómo estos materiales blandos y fluíticos responden a las fuerzas es más desafiante que predecir el comportamiento de los materiales duros. Las aplicaciones del mundo real pueden incluir el diseño de corazones artificiales y válvulas cardíacas o materiales de robots que imitan la carne y los tejidos blandos.

Para enfrentar este desafío, un equipo de investigadores de Tufts dirigido por Tim Atherton, profesor de física, creó Morpho, un entorno programable de código abierto Eso permite a los investigadores e ingenieros resolver problemas de optimización de forma para materiales blandos.

El software recientemente descrito en Ciencia computacional de la naturalezaestá destinado a ser fácil de usar, de forma gratuita y aplicable a una amplia gama de escenarios. Entre el equipo que desarrolla el software estaba James Adler, profesor de matemáticas, y Chaitanya Joshi, erudito postdoctoral en física.

«Muchas cosas que son interesantes en ciencia e ingeniería son problemas de optimización de forma», dijo Atherton. Eso podría significar crear los mejores contornos posibles para que una ciudad acomode el tráfico y los peatones, o la forma de un lecho del río con agua que fluye sobre él. La pregunta entonces es cómo hacer materiales flexibles que respondan de diferentes maneras a fuerzas, luz, temperatura.

«Los paquetes de modelado tradicionales se utilizan para la optimización geométrica de estructuras rígidas, y generalmente no están diseñados para resolver problemas de optimización de forma para materiales blandos», dijo. «Los ingenieros generalmente tienen que crear sus propias formulaciones matemáticas para materiales blandos, lo que puede ser un desafío. Morpho proporciona un conjunto de herramientas para ayudar a cualquiera a resolver convenientemente estos problemas».

Los materiales blandos tienen una complejidad inherente en su respuesta a su entorno. Las membranas, por ejemplo, pueden ser susceptibles de compresión, flujos de líquido, presión y vibraciones. El material de partículas puede experimentar turbulencia aleatoria cuando está en movimiento. Su forma final puede ser muy diferente a su punto de partida, y menos predecible en relación con las estructuras rígidas.

El programa Morpho modela los materiales blandos con un proceso conocido como elementos finitos, que los dividen matemáticamente en pequeñas formas simples (formas 2D o 3D como triángulos o tetraedros), mientras que las ecuaciones modelan las propiedades, las fuerzas y las restricciones límite para cada nodo alrededor de las formas. Luego, todo el sistema de ecuaciones se resuelve para predecir la forma óptima del sistema.

Además de los materiales blandos, el programa también puede modelar problemas de embalaje, ya sea el flujo de partículas granulares en la fabricación farmacéutica, el café o el vino (sí, sus propiedades se deben principalmente a las partículas en estos fluidos) o cómo las empresas pueden empacar y enviar productos de manera óptima para minimizar el uso de espacios y materiales de embalaje.

Morpho también puede modelar sistemas heterogéneos, que incluyen componentes duros y blandos. Por ejemplo, un stent cardiovascular es una malla de metal rodeada por el tejido blando del corazón y las arterias. Los investigadores pueden tener una mejor idea del rendimiento esperado de un stent utilizando el software de modelado Morpho.

«Realmente no necesitas mucho entrenamiento en el programa para abordar problemas complejos», dijo Atherton. «He visto a los estudiantes universitarios dentro de un par de semanas de aprendizaje de Morpho usar el paquete para resolver problemas de grado de investigación, lo cual es sorprendente».