Papieren sneeuwvlokken, pop-up kinderboeken en uitgebreide papieren kaarten zijn niet alleen interessant voor knutselaars. Een team van ingenieurs van de Northwestern University gebruikt ideeën die zijn ontleend aan het vouwen van papier om een ​​geavanceerd alternatief voor 3D-printen te creëren.

Kirigami komt van de Japanse woorden "kiru" (snijden) en "kami" (papier) en is een traditionele vorm van kunst waarbij papier precies wordt gesneden en omgevormd tot een 3D-object. Met behulp van dunne films van materiaal en software om exacte geometrische sneden te selecteren, ingenieurs kunnen een breed scala aan complexe structuren creëren door zich te laten inspireren door de praktijk.

Onderzoek, gepubliceerd in 2015, toonde belofte in het kirigami "pop-up" fabricagemodel. In deze iteratie, de lintachtige structuren die door de sneden werden gecreëerd, waren open vormen, met een beperkt vermogen om gesloten vormen te bereiken. Ander onderzoek dat voortbouwt op dezelfde inspiratie laat vooral zien dat kirigami op macroschaal kan worden toegepast met eenvoudige materialen zoals papier.

Maar nieuw onderzoek dat vandaag (22 december) in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materialen brengt het proces een stap verder.

Horacio Espinosa, een professor werktuigbouwkunde aan de McCormick School of Engineering, zei dat zijn team concepten van ontwerp en kirigami op nanostructuren kon toepassen. Espinosa leidde het onderzoek en is de James N. en Nancy J. Farley Professor in Manufacturing and Entrepreneurship.

"Door nanofabricage te combineren, in situ microscopie-experimenten, en computationele modellering, we hebben het rijke gedrag van kirigami-structuren ontrafeld en voorwaarden geïdentificeerd voor hun gebruik in praktische toepassingen, ' zei Espinosa.

De onderzoekers beginnen met het maken van 2D-structuren met behulp van ultramoderne methoden in de productie van halfgeleiders en zorgvuldig geplaatste "kirigami-sneden" op ultradunne films. Structurele instabiliteiten veroorzaakt door restspanningen in de films creëren vervolgens goed gedefinieerde 3D-structuren. De geconstrueerde kirigami-structuren kunnen worden gebruikt in een aantal toepassingen, variërend van grijpers op microschaal (bijv. Cellpicking) tot ruimtelijke lichtmodulatoren tot stroomregeling in vliegtuigvleugels. Deze mogelijkheden positioneren de techniek voor potentiële toepassingen in biomedische apparaten, energie oogsten, en ruimtevaart.

Typisch, er is een limiet geweest aan het aantal vormen dat kan worden gemaakt door een enkel kirigami-motief. Maar door variaties in de sneden te gebruiken, het team kon filmbuigen en -draaien demonstreren, wat resulteerde in een grotere verscheidenheid aan vormen, inclusief zowel symmetrische als asymmetrische configuraties. De onderzoekers toonden voor het eerst aan dat structuren op microschaal, met behulp van filmdiktes van enkele tientallen nanometers, kan ongebruikelijke 3D-vormen bereiken en bredere functionaliteit presenteren.

Bijvoorbeeld, elektrostatische micropincet klikt dicht, die hard kan zijn op zachte monsters. Daarentegen, Op kirigami gebaseerde pincetten kunnen worden ontworpen om de grijpkracht nauwkeurig te regelen door de hoeveelheid rekken af ​​te stemmen. In deze en andere toepassingen het vermogen om kniplocaties te ontwerpen en structureel gedrag te voorspellen op basis van computersimulaties maakt vallen en opstaan ​​overbodig, geld en tijd besparen in het proces.

Naarmate hun onderzoek vordert, Espinosa zegt dat zijn team van plan is om de grote ruimte van kirigami-ontwerpen te verkennen, inclusief arrayconfiguraties, om een ​​groter aantal mogelijke functionaliteiten te realiseren. Een ander gebied voor toekomstig onderzoek is de inbedding van gedistribueerde actuatoren voor het inzetten en besturen van kirigami. Door de techniek verder te onderzoeken, het team gelooft dat kirigami implicaties kan hebben in de architectuur, lucht- en ruimtevaarttechniek.