Nye kirigami-inspirerede modeller forudsiger, hvordan nye metamaterialer opfører sig

En traditionel papirkran er et kunststykke. Hver fold i origami fører til forvandlingen af ​​et enkelt firkantet ark papir til en fugl, en drage eller en blomst. Origami fraråder limning, markering eller skæring af papiret, men i kirigami-kunsten kan strategisk placerede snit forvandle papirets form endnu mere og skabe komplekse strukturer fra simple slidser. Et velkendt eksempel på dette er en pop-up bog, hvor afhængigt af hvordan det flade papir er klippet, vil et andet sæt former – et hjerte, en frø, et sæt skyskrabere – dukke op, når bogen åbnes.

I fremstillingen ændrer kirigami spillet om, hvad der er muligt. Ligesom med papir åbner gentagen laserskæring af et ark mulighed for kompleks form-morphing drevet af åbning og lukning af slidser. På grund af friheden til at designe slidser, skaber dette et bredt udvalg af geometrier, der har meget tilpasningsdygtige egenskaber sammenlignet med traditionelle materialer. I applikationer i den virkelige verden kan du se et sådant materiale brugt i robotteknologi eller rumfart, for eksempel et slangeskind som kirigami-inspireret materiale, der tillader en robot at kravle, eller en flyvende flyskrog. Men før disse materialer kan tilpasses til professionel brug, skal vi bedre forstå, hvordan kirigami-materialer formskifter under typiske tekniske belastninger og belastninger. Mens reglerne for simple byggeklodser er kendte, er reglerne for deres kollektive formskiftende interaktioner stort set uklare.

I et nyligt papir offentliggjort i Physical Review Letters , et tværfagligt team af forskere ved USC, University of Illinois i Chicago og Stony Brook University udledte en ny matematisk ligning for at kategorisere adfærden af ​​kirigami-inspirerede materialer for bedre at forudsige, hvordan de vil bevæge sig, når de skubbes eller trækkes. Holdet omfatter USC Assistant Professor Paul Plucinsky og post-doc stipendiat Yue Zheng; Stony Brook University assisterende professor Paolo Celli og kandidatforsker Imtiar Niloy; og University of Illinois-Chicago assisterende professor Ian Tobasco.

Plucinsky sagde:"Geometrien af ​​disse materialer er tunet noget vilkårligt. Så vi har brug for regler om, hvordan du kan vælge de arkitekturer, som du vil fremstille. Når først du har disse regler, skal du også være i stand til at modellere systemet, så du laver en rimelig forudsigelse af, hvordan den vil deformeres, når den skubbes eller trækkes."

Plucinsky siger, at tidligere modeller for materialeadfærd ikke gælder for kirigami-materialer, da de ikke er følsomme over for den komplicerede geometri i deres design. "Hvis du vil være i stand til at bruge disse materialer, skal du først forstå, hvorfor når du introducerer disse mønstre til belastninger, producerer de en meget uensartet respons."

Når et materiale skæres, producerer det "celler" eller indeholdte rum, der gentages i et mønster, for eksempel parallelogrammer, sagde Plucinsky. I tilfælde af kirigami-materialer kan disse celler kategoriseres til at opføre sig på en af ​​to måder:bølgelignende eller henfaldende langs elliptiske buer, og dette afhænger kun af, om mønsteret komprimeres eller udvides vinkelret på trækretningen. En matematisk ligning styrer den geometriske opførsel af ting som vandstrøm, sagde Plucinsky, men for faste stoffer som disse er det sværere at udlede. En partiel differentialligning (PDE) er, hvad Plucinsky og hans team var i stand til at udvikle og fremlægge som den første brik i et større puslespil, der kræves for at gøre kirigami-materialer praktisk anvendelige.

Et modelleringsproblem

Lige nu siger Plucinsky, mens folk er ivrige efter at bruge kirigami-materialer til at designe enheder i blød robotteknologi, biomedicin og endda rumforskning, er der et grundlæggende modelleringsproblem, der forhindrer deres brug. Plucinsky sagde, at der ikke er meget kendt om, hvordan kirigami-materialer fungerer under grundlæggende belastningsforhold. "Hvis du ikke har et godt værktøj til at modellere de pågældende systemer, ville du have svært ved at undersøge designrummet og lave omfattende forudsigelser om de individuelle mønstre," sagde Plucinsky.

I lyset af det tænkte Plucinsky og hans forskerhold, "er der en simpel matematisk ligning, der kunne karakterisere disse materialer?" "Ligningen," sagde han, "ville give dig mulighed for at forudsige systemets opførsel på en numerisk effektiv måde ."

Nøglen til ligningen var at indse, at kirigami-celler, selvom de selv har komplicerede byggesten, kunne konceptualiseres som atomer i et gitter (et gentagende 2D-sæt af atomer), som i et konventionelt krystallinsk fast stof, hvor enhederne er identiske og gentagende . Derfra var det nemt at udlede en ligning, der formåede at afspejle ændringerne i den fysiske struktur af et sådant materiale, når det blev manipuleret. Ligningen giver indsigt i scenarier i den virkelige verden, for eksempel hvordan et kirigami-baseret rumobjekt kan reagere, hvis en månesten landede på det.

Bykker af puslespil

Kirigami-mønstre, sagde Plucinsky, er gavnlige af mange grunde, hvoraf den ene er, at de er materiale uafhængige på mange måder. "Denne slags paralleller fint med additiv fremstilling, hvor de nu dybest set kan gå ind og i forskellige skalaer skabe omhyggeligt konstruerede mønstre. Pointen er, at mønsteret betyder noget, så hvis du designer mønsteret rigtigt, gør valget af materiale, du bruger" det behøver ikke at betyde så meget."

At se succesen med den matematiske model med at forudsige kirigami-inspirerede materialer åbner dørene til at bruge sådan modellering til andre materialer, sagde Plucinsky. "Vi arbejder hen imod ideen om, at hvis du har noget med et gentaget mønster, kan du finde en ligning, der præcist modellerer det. Derfra kan vi vende det på hovedet, så hvis du vil konstruere en bestemt egenskab, kan sige, 'åh, den skal have et x-type mønster' og omvendt konstruere det." + Udforsk yderligere

Origami, kirigami inspirerer design til mekaniske metamaterialer