Kirigami-design holder tusindvis af gange deres egen vægt

Den japanske kunst at origami (fra ori, folde, og kami, papir) forvandler flade ark papir til komplekse skulpturer. Variationer inkluderer kirigami (fra kiri, at klippe), en version af origami, der gør det muligt at skære materialer og forbinde dem igen ved hjælp af tape eller lim.

Men mens begge kunstarter er en kilde til ideer for videnskaben, arkitektur, og design, hver har grundlæggende begrænsninger. De flade folder, der kræves af origami, resulterer i en oplåselig overordnet struktur, mens kirigami-kreationer ikke kan foldes tilbage til deres originale, fladtrykte tilstande på grund af klæbemidlet.

Med inspiration fra begge kunstformer, forskere beskriver et nyt sæt motiver til at skabe letvægts, stærk, og foldbare strukturer ved hjælp af bløde materialer. Disse kirigami strukturer kan understøtte 14, 000 gange deres vægt og, fordi de ikke kræver klæbemidler eller fastgørelsesmidler, kan let flades og foldes sammen igen. Udgivet i Fysisk gennemgang X , arbejdet blev udført af den gæstende kandidatstuderende Xinyu Wang og professor Randall Kamien fra University of Pennsylvania i samarbejde med Simon Guest fra University of Cambridge.

Wang, en ph.d. studerende ved Southeast University, var interesseret i at studere de mekaniske egenskaber af origami og kirigami strukturer og nåede ud til Kamien for at starte et nyt samarbejde. Efter Wang ankom til Kamien-laboratoriet i september 2018, Kamien bad hende prøve nogle nye designs ved hjælp af hans gruppes sæt regler for at udforske kirigami-strukturer.

Kort derefter, Wang viste Kamien et nyt design til en kirigami-trekant, der havde skrå vægge. Kamien var oprindeligt overrasket over at se, at Wang havde efterladt de overskydende klapper fra snittene på plads. "Den sædvanlige kirigami-rute er at klippe det af og tape det, " siger Kamien. Wang "fandt, at i denne særlige geometri, du kan få klapperne til at passe."

Mens en enkelt trekant ikke var særlig stærk i sig selv, forskerne bemærkede, at når flere blev arrangeret i et gentagne design, den styrke, de kunne støtte, var meget større end forventet. "Her var denne struktur, der ikke krævede tape, den havde skår, og det var virkelig stærkt, " siger Kamien. "Pludselig, vi har det her system, som vi slet ikke havde regnet med."

For at finde ud af, hvad der gjorde denne geometri så modstandsdygtig, Wang lavede flere versioner af forskellige "bløde" materialer, inklusive papir, kobber, og plastik. Hun lavede også versioner, hvor de afskårne flapper blev tapet, skære, eller beskadiget. Brug af industrikvalitets spændings- og kompressionsprøvningsudstyr på Laboratoriet for Forskning i Materiens Struktur, forskerne fandt ud af, at den geometriske struktur kunne understøtte 14, 000 gange sin egen vægt. Den vippede, trekantet design var stærkest, når klapperne var ubeskadigede og uudnyttede, og det var også stærkere end det samme design med lodrette vægge.

Med hjælp fra Gæst, forskerne indså, at to afvigelser fra gruppens typiske kirigami-regler var nøglen til strukturens styrke. Når trekanters vægge er vinklede, enhver kraft, der påføres toppen, kan oversættes til vandret kompression i midten af ​​designet. "Med de lodrette, der er ingen måde at vende en nedadgående kraft til en sidelæns kraft uden at bøje papiret, " siger Kamien. De fandt også ud af, at papir-til-papir-overlapningen ved at efterlade de afskårne flapper på plads gjorde det muligt for trekanter at presse op mod deres naboer, som hjalp med at fordele den lodrette belastning.

Dette papir er endnu et eksempel på, hvordan kirigami kan bruges som et "værktøj" for videnskabsmænd og ingeniører, denne gang for at skabe stærke, stive genstande af bløde materialer. "Vi fandt ud af, hvordan man bruger materialer, der kan bøje og strække, og vi kan faktisk styrke disse materialer, " siger Wang. En mulig anvendelse kunne være at lave billige, letvægts, og deployerbare strukturer, såsom midlertidige sheltertelte, der er stærke og holdbare, men som også nemt kan samles og skilles ad.

Kamien forestiller sig også denne Interleaved Kirigami Extension Assembly som en måde at skabe møbler på i fremtiden. "En skønne dag, du skal til IKEA, du folder kassen ind i møblerne, og det eneste indeni er puden. Du behøver ikke nogen af ​​disse stik eller små skruer, " siger Kamien.

Takket være Wangs "inspirerede" design og Kamiens spirende samarbejde med Wang og hendes rådgivere Jianguo Cai og Jian Feng, mulighederne for fremtidige ideer og designs er uendelige. "Der var ting ved denne undersøgelse, som er helt uden for rammerne af, hvad en fysiker ville vide, " siger Kamien. "Det var denne perfekte blanding af, hvad jeg kunne og hvad hun kunne."