Een traditionele papieren kraan is een kunststukje. Elke vouw in origami leidt tot de transformatie van een enkel vierkant vel papier in een vogel, een draak of een bloem. Origami ontmoedigt het lijmen, markeren of snijden van het papier, maar in de kunst van kirigami kunnen strategisch geplaatste sneden de vorm van het papier nog verder transformeren, waardoor complexe structuren ontstaan ​​uit eenvoudige spleten. Een bekend voorbeeld hiervan is een pop-upboek, waar, afhankelijk van hoe het platte papier wordt gesneden, een andere reeks vormen - een hart, een kikker, een reeks wolkenkrabbers - tevoorschijn zal komen wanneer het boek wordt geopend.

In de productie verandert kirigami het spel van wat mogelijk is. Net als bij papier opent het herhaaldelijk lasersnijden van een vel de mogelijkheid voor complexe vormvervorming, aangedreven door het openen en sluiten van spleten. Vanwege de beschikbare vrijheid bij het ontwerpen van sleuven, ontstaat er een brede keuze aan geometrieën die zeer aanpasbare eigenschappen hebben in vergelijking met traditionele materialen. In toepassingen in de echte wereld zie je zo'n materiaal misschien worden gebruikt in robotica of in de ruimte, bijvoorbeeld een slangenhuidachtig op kirigami geïnspireerd materiaal waarmee een robot kan kruipen of een morphing-casco. Maar voordat deze materialen kunnen worden aangepast voor professioneel gebruik, moeten we beter begrijpen hoe kirigami-materialen van vorm veranderen onder typische technische spanningen en belastingen. Hoewel de regels voor eenvoudige bouwstenen bekend zijn, blijven de regels voor hun collectieve vormveranderende interacties grotendeels onduidelijk.

In een recent artikel gepubliceerd in Physical Review Letters , heeft een multidisciplinair team van onderzoekers van USC, University of Illinois in Chicago en Stony Brook University een nieuwe wiskundige vergelijking afgeleid voor het categoriseren van het gedrag van op kirigami geïnspireerde materialen om beter te voorspellen hoe ze zullen bewegen wanneer ze worden geduwd of getrokken. Het team bestaat uit USC-assistent-professor Paul Plucinsky en postdoctoraal onderzoeker Yue Zheng; Stony Brook University Assistant Professor Paolo Celli en Graduate Research Assistant Imtiar Niloy; en University of Illinois-Chicago assistent-professor Ian Tobasco.

Plucinsky zei:"De geometrie van deze materialen is enigszins willekeurig afgestemd. We hebben dus regels nodig over hoe je de architecturen kunt kiezen die je gaat fabriceren. Als je die regels eenmaal hebt, moet je ook in staat zijn om het systeem zo te modelleren je maakt een redelijke voorspelling van hoe het zal vervormen als het wordt geduwd of getrokken."

Plucinsky zegt dat eerdere modellen van materiaalgedrag niet van toepassing zijn op kirigami-materialen, omdat ze niet gevoelig zijn voor de gecompliceerde geometrie van hun ontwerpen. "Als je deze materialen wilt kunnen gebruiken, moet je eerst begrijpen waarom, wanneer je deze patronen aan belastingen introduceert, ze een zeer ongelijkmatige respons produceren."

Wanneer een materiaal wordt gesneden, produceert het "cellen" of bevatte ruimtes die zich herhalen in een patroon, bijvoorbeeld parallellogrammen, zei Plucinsky. In het geval van kirigami-materialen kunnen deze cellen worden gecategoriseerd om zich op twee manieren te gedragen:golfachtig of vervallen langs elliptische bogen, en dit hangt alleen af ​​van of het patroon samendrukt of uitzet loodrecht op de trekrichting. Een wiskundige vergelijking regelt het geometrische gedrag van dingen als waterstroming, zei Plucinsky, maar voor vaste stoffen zoals deze is het moeilijker af te leiden. Een partiële differentiaalvergelijking (PDE) is wat Plucinsky en zijn team hebben kunnen ontwikkelen en uiteenzetten als het eerste stukje van een grotere puzzel die nodig is om kirigami-materialen praktisch toepasbaar te maken.

Een modelleringsprobleem

Op dit moment, zegt Plucinsky, is er een fundamenteel modelleringsprobleem dat het gebruik ervan verhindert, zegt Plucinsky. Plucinsky zei dat er niet veel bekend is over hoe kirigami-materialen functioneren onder basisbelastingsomstandigheden. "Als je geen goede tool hebt om de systemen in kwestie te modelleren, zou je het moeilijk hebben om de ontwerpruimte te onderzoeken en uitgebreide voorspellingen te doen over de individuele patronen," zei Plucinsky.

In het licht daarvan dachten Plucinsky en zijn onderzoeksteam:'is er een eenvoudige wiskundige vergelijking die deze materialen zou kunnen karakteriseren?' ."

De sleutel tot de vergelijking was om te beseffen dat kirigami-cellen, hoewel ze zelf gecompliceerde bouwstenen hebben, kunnen worden geconceptualiseerd als atomen in een rooster (een herhalende 2D-reeks atomen), zoals in een conventionele kristallijne vaste stof, waar de eenheden identiek en herhalend zijn . Van daaruit was het eenvoudig om een ​​vergelijking af te leiden die erin slaagde de veranderingen in de fysieke structuur van een dergelijk materiaal weer te geven wanneer het werd gemanipuleerd. De vergelijking geeft inzicht in realistische scenario's, bijvoorbeeld hoe een op kirigami gebaseerd ruimtevoorwerp zou kunnen reageren als er een maansteen op zou landen.

Puzzelstukjes ontwerp

Kirigami-patronen, zei Plucinsky, zijn om vele redenen gunstig, waaronder dat ze in veel opzichten materiaalonafhankelijk zijn. "Dit soort parallellen loopt mooi samen met additive manufacturing waar ze nu in principe naar binnen kunnen gaan en op verschillende schalen zorgvuldig ontworpen patronen kunnen creëren. Het punt is dat het patroon ertoe doet, dus als je het patroon correct ontwerpt, doet de materiaalkeuze die je gebruikt dat niet' het hoeft niet zo belangrijk te zijn."

Het zien van het succes van het wiskundige model bij het voorspellen van op kirigami geïnspireerde materialen opent de deuren naar het gebruik van dergelijke modellering voor andere materialen, zei Plucinsky. "We werken naar het idee toe dat als je iets hebt met een herhalend patroon, je een vergelijking kunt vinden die het nauwkeurig modelleert. Van daaruit kunnen we dit op zijn kop zetten, zodat als je een bepaalde eigenschap wilt ontwerpen, je kan zeggen:'oh, het moet een x-type patroon hebben' en het reverse engineeren." + Verder verkennen

Origami, kirigami inspireren mechanische metamaterialenontwerpen