Homogeneización computacional en magnetomecánica
Los elastómeros magnetosensibles (MSE) son un nuevo tipo de materiales cuyo comportamiento mecánico cambia como resultado de la aplicación de un campo magnético externo. Estos materiales inteligentes han llamado mucho la atención durante los últimos años, o sus fascinantes posibles usos en aplicaciones de ingeniería, como los actuadores de rigidez variable con respuesta rápida y amortiguadores para sistemas mecánicos con controles electrónicos y músculos artificiales para utilizar en dispositivos robóticos y biomecánicos. Como requisito previo para diseñar dispositivos industriales que utilicen MSE, todavía es necesario abordar numerosos desafíos relacionados con su producción, pruebas y modelización por ordenador. Para abordar estas necesidades, el proyecto MOCOPOLY, financiado por la Unión Europea, contribuyó a la literatura científica con más de cuarenta publicaciones sobre distintos temas relacionados con los MSE. «Un resultado importante de la labor multinacional e intensa del proyecto fue el desarrollo de una metodología para fabricar MSE repetidamente con fines de pruebas experimentales», explica el coordinador del proyecto, Paul Steinmann. Experimentos fascinantes Los investigadores del proyecto obtuvieron dos dispositivos con fines de pruebas experimentales, un reómetro y un equipo de pruebas de tensión. Con estos dispositivos, los investigadores desarrollaron protocolos experimentales para lograr resultados fiables y reproducibles. Además, mediante estudios experimentales auxiliares con tecnologías avanzadas, los investigadores pudieron conocer mejor la estructura interna de los MSE y la estructura compleja de los MSE a niveles microscópico y macroscópico. También se inspiraron en los datos experimentales obtenidos con MSE en estados curado y sin curar, para modelizar matemáticamente las características de deformación macroscópica de los MSE sometidos a tensiones elevadas y en presencia de un campo magnético. «Utilizamos un enfoque único para encapsular la mecánica de las estructuras de tipo cadena imperfectas que forman las partículas al curar el material sometido a un campo magnético», explica Steinmann. Los investigadores también desarrollaron un marco computacional para simular el proceso de curado de los MSE magnetoviscoelásticos sometidos a una carga magnetomecánica, junto con un marco unificado de análisis computacional de los MSE utilizando software de código abierto de alto rendimiento. Algunos aspectos de este marco y los trabajos derivados de él se divulgaron entre la comunidad de código abierto. Para complementar el trabajo a grandes escalas de longitud, se realizaron estudios microestructurales destinados a determinar la influencia de las partículas dentro de los MSE. «Obtuvimos un modelo computacional que reflejaba tanto los efectos de escala macroscópica como los de escala nanométrica y, gracias a esta mejora, pudimos representar características que solo se pueden observar a esta escala de longitud», explica Steinmann. Además, el proceso de homogeneización permitió al equipo realizar una estimación de las propiedades efectivas a gran escala de un material heterogéneo a partir de la respuesta de la microestructura subyacente. Utilizando métodos informáticos, los investigadores ampliaron los métodos ya establecidos para cubrir los fenómenos que solo surgen en los MSE, teniendo en cuenta la presencia de partículas magnetizables y la interacción entre ellas. «Como resultado, desarrollamos y utilizamos enfoques para realizar estudios que dieron como resultado una cuantificación estadística de las incertidumbres indicadas en los datos experimentales», dice Steinmann. «Para complementar y validar estos estudios, desarrollamos un método robusto para identificar los parámetros microscópicos del material utilizando experimentos macroscópicos». Resultados de largo alcance Gracias a estos experimentos, el proyecto MOCOPOLY avanzó de forma importante en el conocimiento de los MSE. Además, gracias a las ecuaciones matemáticas fundamentales que describen la magnetoelasticidad y las condiciones en las que se realizaron los estudios del proyecto, una parte importante de la teoría desarrollada para la magnetomecánica también se puede aplicar directamente a la electromecánica, y al revés. «Este solapamiento interdisciplinario permitió ampliar nuestros hallazgos a otros materiales inteligentes electromecánicos interesantes», añade Steinmann.
Palabras clave
MOCOPOLY, elastómeros magnetosensibles, MSE, campo magnético externo, robótica, magnetomecánica
