In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd als een rapport en ook geïllustreerd als de online voorpagina van Science Advances , Julien Chopin, Arshad Kudrolli en een onderzoeksteam in de natuurkunde in de VS en Brazilië toonden aan hoe gedraaide hyperelastische vellen meerlagige zelfgekrulde garens vormden. Door dominant rekken te integreren met vouwkinematica, maten ze koppel en energie afkomstig van geometrische niet-lineariteiten. Vervolgens introduceerden ze een geometrisch model om de vorming en structuur van dergelijke zelfgekrulde garens te verklaren. De resultaten toonden aan hoe een simpele draai van origami in het spanraam-twist-vouwraamwerk leidde tot de transformatie van rekbare vellen in zelf-geassembleerde architecturen.

Vormtransformatie van bladen

Traditioneel kunnen draaiende lakens functionele garens vormen die afhankelijk zijn van millennia van menselijke oefening om catgut-boogkoorden, chirurgische hechtingen en stoffen wearables te vormen; de praktijk mist echter nog steeds overkoepelende principes die de complexiteit van dergelijke architecturen leiden. Gescrollde garens met geneste structuren kunnen worden gebruikt om energie op batterijen te benutten en bij het inbedden van amorfe materialen. Spanningsvouwvouwen kan vlakke platen transformeren in gelaagde structuren via externe grensregulering. Draaivouwen en scrollen kunnen worden gebruikt om platte vellen opnieuw te configureren en opnieuw te gebruiken, zoals te zien is bij de multifunctionele Rajasthan-tulband.

Om vormtransformatie van vellen en het samenspel tussen topologie en grote vormtransformaties te begrijpen, gebruikten Chopin et al driedimensionale röntgenscanning om de spontane vorming van gedraaide, meerlagige garens met geordende interne architecturen te detailleren. Het is echter nog steeds een uitdaging om de grote vormtransformaties en configuraties te modelleren. Recente studies hebben elastische plaatmodellen opgenomen, waaronder de Föppl-von Kármán (FvK) -vergelijking om de initiële groei boven het begin van primaire instabiliteit op te lossen, maar dergelijke methoden blijven om de transformatie van een vlakke plaat in opgerolde garens te verklaren. In dit werk ontwikkelden Chopin et al een nieuw raamwerk om de kinematica van gestructureerde vellen te combineren, en gebruikten ze origami om deze waarnemingen te verklaren. Het team liet zien hoe de gevouwen vellen regelmatige veelhoekige vormen vertoonden zoals beschreven door Schläfli-symbolen en hoe origami-kinematica de belangrijkste kenmerken van de structuur vastlegde om een ​​raamwerk te bieden dat diende als een gids voor het ontwikkelen van hyperelastische materialen met brede toepassingen.

Het team toonde voorbeelden van polydimethylsiloxaan (PDMS) platen met toenemende twist. Naarmate de toegepaste twist verder toenam, merkten ze de vorming van een geneste spiraalvormige structuur in de taille op, gevolgd door secundaire instabiliteiten en resulterend recursief vouwen en een gekruld meerlagig garen. Elke belangrijke vormtransformatie zorgde ervoor dat de veranderingssnelheid van het toegepaste koppel van teken veranderde en een zaagtandvariatie vormde met een draai.

Chopin et al. illustreerden het spanningsverdraaiingsraamwerk om de waargenomen hoofdfasen van transformatie van een vlakke plaat in zelfgewalste garens te begrijpen. Ze bereikten dit door een reeks modellen te introduceren om geometrie, elasticiteit en kinematica te combineren om vervolgens de waargenomen vormtransformaties vast te leggen. De onderzoekers legden de opgeslagen elastische energie en torsierespons vast en volgden dit werk met 3D-röntgentomografie om gedraaide polyvinylsiloxaan (PVS) -platen te reconstrueren. De wetenschappers berekenden vervolgens de buigenergiedichtheid met behulp van platen met verschillende Young's moduli en karakteriseerden de overdracht met twist.

Elastogeometrisch koppelmodel, zelfvouwend en Schläfli-origami

Op basis van de experimentele waarnemingen ontwikkelden Chopin et al een elastogeometrisch model om de opgeslagen elastische energie en torsierespons van de plaat te berekenen. Ze bereikten dit door inspiratie te putten uit de spanningsveldentheorie om sterk gerimpelde platen te beschrijven, waar buig- en drukspanningen verwaarloosbaar waren in vergelijking met trekstrengen. Net als in de spanningsveldentheorie gingen Chopin et al ervan uit dat de energie tijdens het vouwen voornamelijk wordt gegeven door rekmodi in de lengterichting, terwijl de buigmodi subdominant waren. Het team vergeleek het gemeten koppel als een functie van de draaiing ten opzichte van de hyperelastische aard van het materiaal en vulde hun elastogeometrische analyse aan met origami-constructie om een ​​goede overeenkomst tussen de origamivorm en het gedraaide vel aan te tonen. De wetenschappers identificeerden deze origami vervolgens met behulp van Schläfli-symbolen, die ze vervolgens Schläfli-origami noemden. Door de Schläfli-symbolen te variëren, verkregen Chopin et al. driehoekige, vijfhoekige, zevenhoekige en niet-hoekige enveloppen. Het werk benadrukte hoe de kinematica van origami ten grondslag lag aan het vouwen van de spanning.

Garenvorming en het geometrische garenmodel

Om garengroei te modelleren, gingen Chopin et al ervan uit dat het vel in drie secties kon worden verdeeld, met een garenachtige structuur van lengte en twee waaierachtige structuren. Door deze vereenvoudiging konden ze de fundamentele rol van de gedraaide plaatrand in het elastogeometrische koppelmodel behouden. Ze bestudeerden ook de evolutie van de garenlengte door de waaierranden spiraalvormig rond een cilindrische kern met een specifieke diameter te wikkelen om uiteindelijk een groeimodel te vormen dat goed overeenkomt met de experimentele gegevens.

Op deze manier beschreven Julien Chopin, Arshad Kudrolli en collega's de opmerkelijk geordende transformatie van platte vellen naar gekrulde meerlagige garens. Ze bereikten dit door een reeks vereenvoudigde elastogeometrische modellen te introduceren om een ​​spanraamwerk te vormen. Het team verkende de platte meerlagige structuur door een Schläfli-origamimodel te introduceren, waarbij de origami, wanneer gedraaid door een halve draai, regelmatige stervormige polygonen vormde die worden gekenmerkt door Schläfli-symbolen. Chopin et al. gebruikten röntgentomografie-analyse om de evolutie van het vel te verklaren en gaven de samenstelling aan van een sterk gedraaid garengebied in het midden en zwak gedraaide waaierachtige gebieden verbonden met de twee klemmen. Het model dat in dit werk is verwerkt, was gebaseerd op vereenvoudigde kinematica om een ​​raamwerk te bieden om multifunctionele garens mogelijk te maken met behulp van ultradunne polymeren, koolstofnanobuizen en grafeenvellen, geschikt als materialen met toepassingen in de geneeskunde en flexibele elektronica. De wetenschappers gebruikten PDMS (polydimethylsiloxaan) en PVS (polyvinylsiloxaan) polymeren vanwege hun hyperelasticiteit onder verschillende belastingsomstandigheden. De resulterende twist-folding-strategie kan her-inzetbare functionele structuren creëren van eenvoudige elementen voor geavanceerde fabricage met zachte materialen. + Verder verkennen

Wiskunde gebruiken om de spinovergang tussen de assemblage van vezels in garen te beschrijven

© 2022 Science X Network