Forskere designer tredimensionelle kirigami-byggesten til at lave dynamiske metamaterialer

En ny tilgang til fremstilling af metamaterialer trækker på kirigami-teknikker til at gøre tredimensionelle, rekonfigurerbare byggeklodser, der kan bruges til at skabe komplekse, dynamiske strukturer. Fordi designtilgangen er modulopbygget, disse strukturer er nemme at både samle og adskille.

"Anvendelse af kirigami på tredimensionelle materialer giver et nyt niveau af rekonfigurerbarhed for disse strukturer, " siger Jie Yin, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og en lektor i maskin- og rumfartsteknik ved North Carolina State University.

Forskere er optimistiske om, at disse 3D-metamaterialer kan bruges i applikationer såsom lette byggematerialer til bygninger, komponenter til modulær robotteknologi og bølgestyring i akustiske metamaterialer.

Kirigami er en variant af origami, der involverer skæring af papir, ud over at folde den. Mens kirigami udføres ved hjælp af todimensionelle materialer, såsom papir, Yin og hans samarbejdspartnere har anvendt principperne for kirigami på tredimensionelle materialer, der er skåret i forbundne terninger.

Specifikt, forskerne modellerede deres nye tilgang ved hjælp af en serie på otte forbundne papterninger, der er åbne på to sider. Tænk på hver enhed af otte forbundne kuber som en byggeklods. Afhængigt af hvordan kuberne er forbundet med hinanden, disse byggeklodser kan foldes til mere end 300, 000 forskellige designs.

"Tænk på disse kirigami-enheder som alsidige byggeklodser, der kan samles for at skabe større strukturer med forskellige mekaniske egenskaber, " siger Yin. "Hvad mere er, de større strukturer kan også skilles ad, giver brugerne mulighed for at samle kirigami-enhederne til nye strukturer."

For at demonstrere nytten af ​​konceptet, forskerne skabte mere end et dusin rekonfigurerbare byggeklodser. Hver blok bestod af otte forbundne papirterninger og kunne omkonfigureres til otte forskellige former. Video fremhæver måderne, hvorpå hver enhed kan omkonfigureres til forskellige strukturer, hvordan disse strukturer kunne samles til større strukturer, og hvordan de samlede store strukturer kunne skilles ad igen i de rekonfigurerbare blokke. (Videoen kan ses øverst på siden.)

Afhængigt af orienteringen af ​​de massive terningvægge og åbne sider i hver blok, og placeringen af ​​hver blok i den større struktur, strukturen vil opføre sig anderledes. Dette giver brugerne mulighed for at tune hver byggebloks mekaniske egenskaber. For eksempel, en enkelt byggeklods kan foldes til en struktur, der let kan komprimeres, eller omfoldet til en anden form, der er i stand til at bære en betydelig belastning.

"Det faktum, at du kan adskille og rekonfigurere disse 3D-metamaterialer, giver brugerne mulighed for at ændre de mekaniske egenskaber af en struktur efter behov for at udføre forskellige opgaver, " siger Yin. "Fold det på én måde for at gøre det nemt at komprimere, fold den på en anden måde for at tillade sidebevægelse, fold den på en tredje måde for at gøre den stiv eller forbedre dens fysiske styrke – og så videre.

"Dette arbejde var fokuseret på at demonstrere det grundlæggende koncept, " siger Yin. "Vores næste skridt er at demonstrere applikationer til konceptet."

Papiret, "3D transformerbare modulære Kirigami-baserede programmerbare metamaterialer, " er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .