Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Elektronik

Hyperbolsk paraboloid origami udnytter bistabilitet for at muliggøre nye applikationer

De koncentriske firkantede folder af den hyperbolske paraboloid origami trækker sammen spidserne af papiret i modsatte retninger, danner de modstående buer. Kredit:Allison Carter

Selvom det måske ikke er så ikonisk som papirkranen, hypar-origamien med sine fejende modsatrettede buer og sadelform har længe været populær for kunstnere, der arbejder i papirfoldningstraditionen.

Nu ser forskere ved Georgia Institute of Technology og University of Tokyo på formen med henblik på at udnytte dens strukturelle egenskaber, i håb om at finde måder at udnytte sin bistabilitet til at bygge multifunktionelle enheder eller metamaterialer.

For en undersøgelse rapporteret 17. september i tidsskriftet Naturkommunikation og støttet af National Science Foundation, forskerne undersøgte først, om det populære origamimønster, der ligner den geometriske hyperbolske paraboloid – eller hypar – havde de samme fysiske egenskaber som dens geometriske modstykke og forsøgte at forstå, hvordan dets folder bidrager til dannelsen af ​​mønsteret.

"Den hyperbolske paraboloid er et slående mønster, der er blevet brugt i arkitektoniske designs verden over, " sagde Glaucio Paulino, en professor ved Georgia Tech School of Civil and Environmental Engineering. "Som et origami mønster, den har strukturel bistabilitet, som kan udnyttes til metamaterialer, der bruges i energifangst eller andre mikroelektroniske enheder."

Glaucio Paulino, en professor og Raymond Allen Jones Chair of Engineering ved Georgia Tech School of Civil and Environmental Engineering, har en "hypar" origami. Kredit:Allison Carter

Strukturel bistabilitet refererer til origamimønstrets evne til at finde en hvileligevægt i to forskellige tilstande - når sadelformen vender om på sig selv. Denne evne kunne gøre det muligt for enheder baseret på origamiens struktur at omkonfigurere til at pege buerne i modsatte retninger i farten.

Som enhver anden origami, mønsteret starter med et fladt ark papir, som derefter foldes langs koncentriske firkanter. Disse folder trækker sammen spidserne af papiret i modsatte retninger, danner de modstående buer af en hyperbolsk paraboloid.

For at forstå mere om de mekanismer, der skaber sadelformerne, forskerne skabte en teoretisk model, der kunne tjene til at forudsige origamiens adfærd, og deres analyse forstærkede ideen om, at strukturen udviste de samme egenskaber som dens geometriske modstykke.

"En af de virkelig interessante ting, vi fandt, var, at folderne af koncentriske firkanter ikke behøvede at være ensartede i deres forskydninger for at danne hypar origami, " sagde Ke Liu, en tidligere kandidatstuderende ved Georgia Tech og nu postdoc ved California Institute of Technology. "Så nogle firkanter kunne være ret tæt på hinanden og andre længere fra hinanden, og stadig den overordnede form ville være en hyperbolsk paraboloid."

De modsatte buer af den hyperbolske paraboloid har inspireret arkitektoniske designs i årevis, samt den slående "hypar" origami. Kredit:Allison Carter

Imidlertid, forskerne bemærkede, at mangel på ensartethed i folderne ville ændre andre aspekter af strukturen, såsom hvor meget energi der skal til for at skubbe den ind i sin hyparform.

"Du kan teoretisk tune hver enkelt hypar origami struktur ved at ændre skalaen af ​​disse folder, og det ville ændre, hvordan den struktur reagerer på pres, der skubber imod den, "Liu sagde. "Fremtidige designs til robotteknologi eller anden elektronik kunne bruge denne form for snapping-adfærd."

Forskerne foldede også origamien til en række firkanter, så fire hyparorigamimønstre blev dannet på det samme ark materiale. En fysisk model viste, at strukturen har hele 32 forskellige stabile konfigurationer.

"Hypar-tesselationen med flere stabile tilstande har lovende anvendelser som stimulus-responsive metasurfaces og switches, " sagde Tomohiro Tachi, som er lektor ved University of Tokyo, Japan.

"Disse typer konfigurationer kan lægge grunden til fremtidige metasurfaces med rekonfigurerbare egenskaber og et højt niveau af tunability, sagde Paulino, som også er Raymond Allen Jones Chair of Engineering i School of Civil and Environmental Engineering.


Varme artikler