Een nieuwe benadering voor het produceren van metamaterialen is gebaseerd op kirigami-technieken om driedimensionale, herconfigureerbare bouwstenen die kunnen worden gebruikt om complexe, dynamische structuren. Omdat de ontwerpaanpak modulair is, deze constructies zijn eenvoudig te monteren en demonteren.

"Het toepassen van kirigami op driedimensionale materialen biedt een nieuw niveau van herconfigureerbaarheid voor deze structuren, " zegt Jie Yin, corresponderende auteur van een paper over het werk en een universitair hoofddocent mechanische en ruimtevaarttechniek aan de North Carolina State University.

Onderzoekers zijn optimistisch dat deze 3D-metamaterialen kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals lichtgewicht constructiematerialen voor gebouwen, componenten voor modulaire robotica en golfgeleiding in akoestische metamaterialen.

Kirigami is een variatie op origami waarbij papier wordt gesneden, naast het opvouwen. Terwijl kirigami wordt gedaan met behulp van tweedimensionale materialen, zoals papier, Yin en zijn medewerkers hebben de principes van kirigami toegepast op driedimensionale materialen die in verbonden kubussen zijn gesneden.

specifiek, de onderzoekers hebben hun nieuwe aanpak gemodelleerd met behulp van een reeks van acht met elkaar verbonden kartonnen kubussen die aan twee kanten open zijn. Zie elke eenheid van acht verbonden kubussen als een bouwsteen. Afhankelijk van hoe de kubussen met elkaar zijn verbonden, deze bouwstenen zijn op te vouwen tot meer dan 300, 000 verschillende ontwerpen.

"Zie deze kirigami-eenheden als veelzijdige bouwstenen die kunnen worden geassembleerd om grotere structuren met verschillende mechanische eigenschappen te creëren, " zegt Yin. "Bovendien, de grotere constructies kunnen ook gedemonteerd worden, waardoor gebruikers de kirigami-eenheden opnieuw kunnen samenstellen in nieuwe structuren."

Om het nut van het concept aan te tonen, de onderzoekers creëerden meer dan een dozijn herconfigureerbare bouwstenen. Elk blok bestond uit acht met elkaar verbonden papieren kubussen en kon opnieuw worden geconfigureerd in acht verschillende vormen. Video belicht de manieren waarop elke eenheid opnieuw kan worden geconfigureerd in verschillende structuren, hoe die structuren kunnen worden samengevoegd tot grotere structuren, en hoe de geassembleerde grote constructies weer konden worden gedemonteerd in de herconfigureerbare blokken. (De video is bovenaan de pagina te bekijken.)

Afhankelijk van de oriëntatie van de massieve kubuswanden en open zijkanten in elk blok, en de plaatsing van elk blok in de grotere structuur, de structuur zal zich anders gedragen. Hierdoor kunnen gebruikers de mechanische eigenschappen van elke bouwsteen afstemmen. Bijvoorbeeld, een enkele bouwsteen kan worden gevouwen tot een structuur die gemakkelijk kan worden gecomprimeerd, of opnieuw gevouwen in een andere vorm die een aanzienlijke belasting kan dragen.

"Het feit dat je deze 3D-metamaterialen kunt demonteren en opnieuw configureren, stelt gebruikers in staat om de mechanische eigenschappen van een structuur aan te passen als dat nodig is om verschillende taken uit te voeren, " Zegt Yin. " Vouw het op een manier om het gemakkelijk te comprimeren, vouw het op een andere manier om zijdelingse beweging mogelijk te maken, vouw het een derde manier om het stijf te maken of zijn fysieke kracht te vergroten - enzovoort.

"Dit werk was gericht op het demonstreren van het fundamentele concept, " zegt Yin. "Onze volgende stap is om toepassingen voor het concept te demonstreren."

De krant, "3D-transformeerbare modulaire Kirigami-gebaseerde programmeerbare metamaterialen, " is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .