Japansk kunstform inspirerer til ny ingeniørteknik

Papir snefnug, pop-up børnebøger og kunstfærdige papirkort er af interesse for mere end blot håndværkere. Et team af Northwestern University-ingeniører bruger ideer fra papirfoldning til at skabe et sofistikeret alternativ til 3-D-print.

Kirigami kommer fra de japanske ord "kiru" (at skære) og "kami" (papir) og er en traditionel kunstform, hvor papir er præcist skåret og omdannet til et 3-D objekt. Brug af tynde film af materiale og software til at vælge nøjagtige geometriske snit, ingeniører kan skabe en bred vifte af komplekse strukturer ved at hente inspiration fra praksis.

Forskning, udgivet i 2015, viste lovende i kirigami "pop-up" fabrikationsmodellen. I denne iteration, de båndlignende strukturer skabt af snittene var åbne former, med begrænset evne til at opnå lukkede former. Anden forskning, der bygger på samme inspiration, viser hovedsageligt, at kirigami kan anvendes i makroskala med simple materialer som papir.

Men ny forskning offentliggjort i dag (22. december) i tidsskriftet Avancerede materialer fremmer processen et skridt videre.

Horacio Espinosa, en mekanisk ingeniørprofessor ved McCormick School of Engineering, sagde, at hans team var i stand til at anvende koncepter om design og kirigami på nanostrukturer. Espinosa ledede forskningen og er James N. og Nancy J. Farley professor i fremstilling og iværksætteri.

"Ved at kombinere nanofremstilling, in situ mikroskopi eksperimenter, og beregningsmodellering, vi afslørede den rige adfærd af kirigami-strukturer og identificerede betingelser for deres brug i praktiske applikationer, " sagde Espinosa.

Forskerne starter med at skabe 2D-strukturer ved hjælp af state-of-the-art metoder inden for halvlederfremstilling og omhyggeligt placerede "kirigami-snit" på ultratynde film. Strukturelle ustabiliteter induceret af resterende spændinger i filmene skaber derefter veldefinerede 3D-strukturer. De konstruerede kirigami-strukturer kunne anvendes i en række anvendelser lige fra mikroskala-gribere (f.eks. celleplukning) til rumlige lysmodulatorer til flowkontrol i flyvinger. Disse egenskaber positionerer teknikken til potentielle anvendelser i biomedicinsk udstyr, energihøst, og rumfart.

Typisk, der har været en grænse for antallet af former, der kan skabes af et enkelt kirigami-motiv. Men ved at bruge variationer i nedskæringerne, holdet var i stand til at demonstrere filmbøjning og -vridning, der resulterer i et bredere udvalg af former - inklusive både symmetriske og asymmetriske konfigurationer. Forskerne demonstrerede for første gang, at strukturer i mikroskala, ved hjælp af filmtykkelser på nogle få tiere nanometer, kan opnå usædvanlige 3D-former og præsentere bredere funktionalitet.

For eksempel, elektrostatisk pincet klikker tæt, hvilket kan være hårdt ved bløde prøver. Derimod En kirigami-baseret pincet kan konstrueres til præcist at kontrollere gribekraften ved at justere mængden af ​​stræk. I denne og andre applikationer, evnen til at designe afskårne steder og forudsige strukturel adfærd baseret på computersimuleringer fjerner forsøg og fejl, sparer penge og tid i processen.

Efterhånden som deres forskning skrider frem, Espinosa siger, at hans team planlægger at udforske det store rum med kirigami-design, inklusive array-konfigurationer, for at opnå et større antal mulige funktionaliteter. Et andet område for fremtidig forskning er indlejring af distribuerede aktuatorer til kirigami-implementering og kontrol. Ved at se nærmere på teknikken, holdet mener, at kirigami kan have implikationer i arkitekturen, rumfarts- og miljøteknik.