De Japanse kunst van origami (van ori, vouwen, en kami, papier) transformeert platte vellen papier in complexe sculpturen. Variaties omvatten kirigami (van kiri, snijden), een versie van origami waarmee materialen kunnen worden gesneden en opnieuw kunnen worden verbonden met behulp van tape of lijm.

Maar hoewel beide kunstvormen een bron van ideeën voor de wetenschap zijn, architectuur, en ontwerp, elk heeft fundamentele beperkingen. De platte vouwen die origami nodig heeft, resulteren in een ontgrendelbare algehele structuur, terwijl kirigami-creaties niet kunnen worden teruggevouwen tot hun origineel, afgeplatte toestanden vanwege de lijm.

Geïnspireerd door beide kunstvormen, onderzoekers beschrijven een nieuwe reeks motieven voor het maken van lichtgewicht, sterk, en opvouwbare structuren met zachte materialen. Deze kirigami-structuren kunnen 14, 000 keer hun gewicht en, omdat ze geen lijm of bevestigingsmiddelen nodig hebben, kan gemakkelijk worden platgedrukt en opnieuw worden opgevouwen. Gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , het werk werd uitgevoerd door een bezoek aan afgestudeerde student Xinyu Wang en professor Randall Kamien van de Universiteit van Pennsylvania in samenwerking met Simon Guest van de Universiteit van Cambridge.

Wang, een doctoraat student aan de Zuidoost-universiteit, was geïnteresseerd in het bestuderen van de mechanische eigenschappen van origami- en kirigami-structuren en nam contact op met Kamien om een ​​nieuwe samenwerking aan te gaan. Nadat Wang in september 2018 in het Kamien-lab aankwam, Kamien vroeg haar om een ​​paar nieuwe ontwerpen uit te proberen met behulp van de regels van zijn groep voor het verkennen van kirigami-structuren.

Kort daarna, Wang liet Kamien een nieuw ontwerp zien voor een kirigami-driehoek met schuine wanden. Kamien was aanvankelijk verrast om te zien dat Wang de overtollige flappen van de sneden op hun plaats had gelaten. "De gebruikelijke kirigami-route is om dat af te snijden en vast te plakken, " zegt Kamien. Wang "vond dat, in deze specifieke geometrie, je kunt de flappen laten passen."

Hoewel een enkele driehoek op zichzelf niet bijzonder sterk was, merkten de onderzoekers dat wanneer meerdere in een repetitief ontwerp werden gerangschikt, de kracht die ze konden ondersteunen was veel groter dan verwacht. "Hier was deze structuur waarvoor geen tape nodig was, het had snijwonden, en het was echt sterk, ' zegt Kamien. 'Plotseling, we hebben dit systeem dat we helemaal niet hadden verwacht."

Om erachter te komen wat deze geometrie zo veerkrachtig maakte, Wang maakte verschillende versies van verschillende "zachte" materialen, inclusief papier, koper, en kunststof. Ze maakte ook versies waarbij de uitgesneden flappen werden geplakt, snee, of beschadigd. Met behulp van industriële spannings- en compressietestapparatuur in het Laboratorium voor Onderzoek naar de Structuur van Materie, de wetenschappers ontdekten dat de geometrische structuur 14, 000 keer zijn eigen gewicht. de gekantelde, driehoekig ontwerp was het sterkst wanneer de flappen onbeschadigd en ongebruikt waren, en het was ook sterker dan hetzelfde ontwerp met verticale wanden.

Met de hulp van Gast, de onderzoekers realiseerden zich dat twee afwijkingen van de typische kirigami-regels van de groep de sleutel waren tot de kracht van de structuur. Als de wanden van de driehoeken onder een hoek staan, elke kracht die op de bovenkant wordt uitgeoefend, kan worden vertaald in horizontale compressie in het midden van het ontwerp. "Met de verticale, er is geen manier om een ​​neerwaartse kracht om te zetten in een zijwaartse kracht zonder het papier te buigen, ", zegt Kamien. Ze ontdekten ook dat de overlapping van papier op papier, doordat de gesneden flappen op hun plaats bleven, ervoor zorgden dat de driehoeken tegen hun buren drukten, die hielpen bij het verdelen van de verticale belasting.

Dit artikel is nog een ander voorbeeld van hoe kirigami kan worden gebruikt als een "tool" voor wetenschappers en ingenieurs, deze keer voor het creëren van sterke, stijve voorwerpen uit zachte materialen. "We hebben ontdekt hoe we materialen kunnen gebruiken die kunnen buigen en uitrekken, en we kunnen deze materialen daadwerkelijk versterken, ", zegt Wang. Een mogelijke toepassing zou kunnen zijn om goedkope, lichtgewicht, en inzetbare structuren, zoals tijdelijke onderdaktenten die sterk en duurzaam zijn, maar ook eenvoudig op- en afgebouwd kunnen worden.

Kamien ziet deze Interleaved Kirigami Extension Assembly ook als een manier om in de toekomst meubels te maken. "Op een dag, je gaat naar IKEA, je vouwt de doos in het meubel, en het enige dat erin zit is het kussen. Je hebt geen van die connectoren of kleine schroeven nodig, ' zegt Kamien.

Dankzij Wang's "geïnspireerde" ontwerp en Kamien's ontluikende samenwerking met Wang en haar adviseurs Jianguo Cai en Jian Feng, de mogelijkheden voor toekomstige ideeën en ontwerpen zijn eindeloos. "Er waren dingen aan deze studie die totaal buiten het bestek vallen van wat een natuurkundige zou weten, "zegt Kamien. "Het was deze perfecte mix van wat ik kon en wat zij kon doen."