Inspireret af metamorfose, forskere skaber materialer til formskiftende arkitektur

Forskere ved North Carolina State University har udviklet materialer, der kan bruges til at skabe strukturer, der kan omdannes til flere forskellige arkitekturer. Forskerne forestiller sig anvendelser lige fra byggeri til robotteknologi.

"Det system, vi har udviklet, var inspireret af metamorfose, " siger Jie Yin, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og en lektor i maskin- og rumfartsteknik ved NC State. "Med metamorfose i naturen, dyr ændrer deres grundlæggende form. Vi har skabt en klasse af materialer, der kan bruges til at skabe strukturer, der ændrer deres grundlæggende arkitektur."

Kirigami er et grundlæggende koncept for Yins arbejde. Kirigami er en variant af origami, der involverer skæring og foldning af papir. Men mens kirigami traditionelt bruger todimensionelle materialer, Yin anvender de samme principper for tredimensionelle materialer.

Metamorfosesystemet starter med en enkelt enhed af 3D kirigami. Hver enhed kan danne flere former i sig selv. Men disse enheder er også modulære - de kan forbindes til at danne stadig mere komplekse strukturer. Fordi de enkelte enheder selv kan danne flere former, og kan oprette forbindelse til andre enheder på flere måder, det overordnede system er i stand til at danne en bred vifte af arkitekturer.

"Tænk på, hvad du kan bygge med konventionelle materialer, " siger Yin. "Forestil dig nu, hvad du kan bygge, når hver grundlæggende byggeklods er i stand til at transformere på flere måder."

Yins laboratorium har tidligere demonstreret et lignende koncept, hvor 3D kirigami-enheder blev stablet på hinanden. I det system, enhederne kunne bruges til at samle en struktur - men strukturen kunne også derefter skilles ad.

Metamorfosesystemet involverer faktisk at forbinde kirigami-enhederne. Med andre ord, når enhederne først er forbundet med hinanden, kan de ikke afbrydes. Imidlertid, de større strukturer, de skaber, er i stand til at omdannes til flere, forskellige arkitekturer.

"Der er to store forskelle mellem vores første kirigami-system og metamorfosesystemet, " forklarer Yin.

"Det første kirigami-system involverede enheder, der kunne samles til arkitekturer og derefter skilles ad, hvilket er en fordel. Imidlertid, når enhederne blev samlet, arkitekturen ville ikke være i stand til at transformere. Fordi enhedens sider ikke var stive og fikseret i 90 graders vinkler, den samlede struktur kunne bøjes og bevæge sig - men den kunne ikke fundamentalt ændre sin geometri.

"Metamorfose kirigami-systemet tillader dig ikke at adskille en struktur, " siger Yin. "Og fordi siderne af hver kubisk enhed er stive og fikseret i 90 graders vinkler, den samlede struktur bøjer eller bøjer ikke særlig meget. Imidlertid, den færdige struktur er i stand til at forvandle sig til forskellige arkitekturer."

I proof-of-concept test, forskerne viste, at metamorfosesystemet var i stand til at skabe mange forskellige strukturer, der er i stand til at bære betydelig vægt og samtidig bevare deres strukturelle integritet.

Den strukturelle integritet er vigtig, fordi Yin mener, at konstruktion er en potentiel anvendelse for metamorfosesystemet.

"Hvis du skalerer denne tilgang op, det kunne være grundlaget for en ny generation af byggematerialer, der kan bruges til at skabe hurtigt deployerbare strukturer, " siger Yin. "Tænk på de medicinske enheder, der har måttet udvides med kort varsel under pandemien, eller behovet for nødboliger i kølvandet på en katastrofe."

Forskerne mener også, at metamorfosesystemet kan bruges til at skabe en række robot-enheder, der kan transformeres for at reagere på ydre stimuli eller udføre forskellige funktioner.

"Vi tror også, at dette system kunne bruges til at skabe en ny linje af legetøj - især legetøj, der kan hjælpe folk med at udforske nogle grundlæggende STEM-koncepter relateret til fysik og teknik, " siger Yin. "Vi er åbne over for at arbejde med industriens samarbejdspartnere for at forfølge disse og andre potentielle applikationer til systemet."

Papiret, "Metamorfose af tredimensionelt kirigami-inspireret rekonfigurerbart og omprogrammerbart arkitektonisk stof, " er offentliggjort i tidsskriftet Materialer i dag Fysik .