Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een wiskundig raamwerk ontwikkeld dat elk vel materiaal in elke voorgeschreven vorm kan veranderen, geïnspireerd door het papierambacht genaamd kirigami (van de Japanse, kiri, wat betekent snijden en kami, papier betekent).

In tegenstelling tot zijn bekendere neef origami, die vouwen gebruikt om papier te vormen, kirigami vertrouwt op een patroon van sneden in een plat vel papier om de flexibiliteit te veranderen en het te laten veranderen in 3D-vormen. Kunstenaars gebruiken deze kunstvorm al lang om alles te maken, van pop-upkaarten tot kastelen en draken.

"We vroegen of het mogelijk is om de wiskundige basisprincipes die ten grondslag liggen aan kirigami bloot te leggen en deze te gebruiken om algoritmen te maken waarmee we het nummer kunnen ontwerpen, grootte en richting van de sneden in een vlakke plaat, zodat deze in elke willekeurige vorm kan veranderen, " zei L. Mahadevan, de Valpine Hoogleraar Toegepaste Wiskunde, Natuurkunde, en Organismische en Evolutionaire Biologie, de senior auteur op het papier.

"Specifiek, als we een algemene vorm in twee of drie dimensies krijgen, hoe moeten we de snijpatronen in een referentievorm ontwerpen, zodat we deze in één beweging in de uiteindelijke vorm kunnen plaatsen?" zei Gary P. T. Choi, een afgestudeerde student aan SEAS en eerste auteur van het papier. "In dit werk, we lossen dat probleem op door de beperkingen te identificeren waaraan moet worden voldaan om dit snijpatroon te bereiken, een numerieke optimalisatiebenadering gebruiken om de patronen te bepalen, en verifieer dit dan experimenteel."

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Dit onderzoek volgt op eerder werk van het Mahadevan-lab waarin werd gekarakteriseerd hoe op origami gebaseerde patronen konden worden gebruikt als bouwstenen om bijna elke driedimensionale gebogen vorm te creëren.

"We waren eigenlijk in staat om iets meer te doen met kirigami dan met origami, " zei Levi Dudte, afgestudeerde student in het Mahadevan-lab en co-auteur van het artikel. "De aanwezigheid van sneden en gaten in het binnenste van het materiaal geeft kirigami de mogelijkheid om zijn vorm aanzienlijk te veranderen."

"Ons werk is geïnspireerd op kunst, getemperd door de strengheid van de wiskunde, en de uitdagingen van technische vorm. Kirigami-mozaïeken vinden die een vierkant in een cirkel kunnen omzetten, of een laken in een poncho is nog maar het begin. We denken dat dit nog maar het begin is van een reeks nieuwe manieren om vorm te ontwikkelen in het digitale tijdperk met behulp van geometrie, topologie, en berekening, ' zei Mahadevan.

Vervolgens willen de onderzoekers onderzoeken hoe sneden en vouwen kunnen worden gecombineerd om elke vorm met een bepaalde reeks eigenschappen te bereiken, dus origami en kirigami met elkaar verbinden.