Onderzoekers van de North Carolina State University hebben materialen ontwikkeld die kunnen worden gebruikt om structuren te creëren die in meerdere verschillende architecturen kunnen worden omgezet. De onderzoekers zien toepassingen die variëren van constructie tot robotica.

"Het systeem dat we hebben ontwikkeld is geïnspireerd op metamorfose, " zegt Jie Yin, corresponderende auteur van een paper over het werk en een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek bij NC State. "Met metamorfose in de natuur, dieren veranderen hun fundamentele vorm. We hebben een klasse materialen gecreëerd die kunnen worden gebruikt om structuren te creëren die hun fundamentele architectuur veranderen."

Kirigami is een fundamenteel concept voor het werk van Yin. Kirigami is een variatie op origami waarbij papier wordt gesneden en gevouwen. Maar terwijl kirigami traditioneel tweedimensionale materialen gebruikt, Yin past dezelfde principes toe op driedimensionale materialen.

Het metamorfosesysteem begint met een enkele eenheid van 3D-kirigami. Elke eenheid kan op zichzelf meerdere vormen vormen. Maar deze units zijn ook modulair:ze kunnen worden verbonden om steeds complexere structuren te vormen. Omdat de afzonderlijke eenheden zelf meerdere vormen kunnen vormen, en kan op meerdere manieren verbinding maken met andere eenheden, het totale systeem kan een grote verscheidenheid aan architecturen vormen.

"Bedenk wat je kunt bouwen met conventionele materialen, " Zegt Yin. "Stel je nu eens voor wat je kunt bouwen als elke basisbouwsteen op meerdere manieren kan transformeren."

Yin's lab demonstreerde eerder een soortgelijk concept, waarin 3D kirigami-eenheden op elkaar werden gestapeld. In dat systeem, de eenheden zouden kunnen worden gebruikt om een ​​constructie in elkaar te zetten, maar de constructie kan dan ook worden gedemonteerd.

Het metamorfosesysteem omvat het daadwerkelijk verbinden van de kirigami-eenheden. Met andere woorden, zodra de units met elkaar zijn verbonden, kunnen ze niet worden losgekoppeld. Echter, de grotere structuren die ze creëren zijn in staat om te transformeren in meerdere, verschillende architecturen.

"Er zijn twee grote verschillen tussen ons eerste kirigami-systeem en het metamorfosesysteem, ' legt Yin uit.

"Het eerste kirigami-systeem omvatte eenheden die in architecturen konden worden geassembleerd en vervolgens konden worden gedemonteerd, wat een voordeel is. Echter, toen de eenheden werden geassembleerd, de architectuur zou niet kunnen transformeren. Omdat de zijkanten van het apparaat niet stijf waren en in een hoek van 90 graden vastzaten, de geassembleerde structuur kon buigen en bewegen, maar het kon zijn geometrie niet fundamenteel veranderen.

"Met het metamorfose kirigami-systeem kun je een structuur niet demonteren, " zegt Yin. "En omdat de zijkanten van elke kubieke eenheid stijf zijn en vastgezet in hoeken van 90 graden, de geassembleerde structuur buigt of buigt niet erg. Echter, de afgewerkte structuur kan transformeren in verschillende architecturen."

Bij proof-of-concept testen, de onderzoekers toonden aan dat het metamorfosesysteem in staat was om veel verschillende structuren te creëren die een aanzienlijk gewicht kunnen dragen met behoud van hun structurele integriteit.

Dat structurele integriteit belangrijk is, omdat Yin constructie een mogelijke toepassing vindt voor het metamorfosesysteem.

"Als je deze aanpak opschaalt, het zou de basis kunnen zijn voor een nieuwe generatie bouwmaterialen waarmee snel inzetbare constructies kunnen worden gemaakt, Zegt Yin. "Denk aan de medische eenheden die tijdens de pandemie op korte termijn moesten worden uitgebreid, of de behoefte aan noodopvang in de nasleep van een ramp."

De onderzoekers denken ook dat het metamorfosesysteem kan worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan robotapparaten te creëren die kunnen transformeren om te reageren op externe stimuli of om verschillende functies uit te voeren.

"We denken ook dat dit systeem kan worden gebruikt om een ​​nieuwe lijn speelgoed te creëren, met name speelgoed dat mensen kan helpen bij het verkennen van enkele fundamentele STEM-concepten met betrekking tot natuurkunde en techniek, " zegt Yin. "We staan ​​open voor samenwerking met branchegenoten om deze en andere mogelijke toepassingen voor het systeem na te streven."

De krant, "Metamorfose van driedimensionale kirigami-geïnspireerde herconfigureerbare en herprogrammeerbare architected materie, " is gepubliceerd in het tijdschrift Materialen Vandaag Natuurkunde .