Các khối xây dựng 3D Kirigami được thiết kế để tạo cấu trúc siêu vật liệu động

Một cách tiếp cận mới để sản xuất siêu vật liệu dựa trên kỹ thuật kirigami để tạo ra các khối xây dựng ba chiều, có thể định cấu hình lại có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc động, phức tạp. Bởi vì cách tiếp cận thiết kế là mô-đun, các cấu trúc này dễ dàng lắp ráp và tháo rời.

“Áp dụng kirigami để vật liệu ba chiều Mời một cấp độ mới về reconfigurability cho các cấu trúc,” Jie Yin, tác giả tương ứng của một bài báo về công việc và một phó giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học bang North Carolina nói.

Các nhà nghiên cứu lạc quan rằng những siêu vật liệu 3D này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như vật liệu xây dựng nhẹ cho các tòa nhà, các thành phần cho robot mô-đun và dẫn sóng trong siêu vật liệu âm học.

Kirigami là một biến thể của origami liên quan đến việc cắt giấy, ngoài việc gấp nó. Trong khi kirigami được thực hiện bằng vật liệu hai chiều, chẳng hạn như giấy, Yin và các cộng sự của ông đã áp dụng các nguyên tắc của kirigami cho các vật liệu ba chiều được cắt thành các hình khối kết nối với nhau.

Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa phương pháp tiếp cận mới của họ bằng cách sử dụng một loạt tám khối các tông được kết nối với nhau mở ra hai mặt. Hãy coi mỗi đơn vị gồm tám khối kết nối như một khối xây dựng. Tùy thuộc vào cách các hình khối được kết nối với nhau, các khối xây dựng này có thể được gấp lại thành hơn 300.000 kiểu dáng khác nhau.

“Hãy coi những đơn vị kirigami này như những khối xây dựng linh hoạt có thể được lắp ráp để tạo ra những cấu trúc lớn hơn với các đặc tính cơ học khác nhau,” Yin nói. “Hơn nữa, các cấu trúc lớn hơn cũng có thể được tháo rời, cho phép người dùng lắp ráp lại các đơn vị kirigami thành các cấu trúc mới.”

Để chứng minh tính tiện ích của khái niệm này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra hơn một chục khối xây dựng có thể cấu hình lại. Mỗi khối bao gồm tám khối giấy được kết nối và có thể được cấu hình lại thành tám hình dạng khác nhau. Video nêu bật các cách mà mỗi đơn vị có thể được cấu hình lại thành các cấu trúc khác nhau, cách các cấu trúc đó có thể được lắp ráp thành các cấu trúc lớn hơn và cách các cấu trúc lớn đã lắp ráp có thể được tháo rời trở lại thành các khối có thể cấu hình lại.

Tùy thuộc vào hướng của các bức tường hình khối đặc và các mặt mở trong mỗi khối, và vị trí của mỗi khối trong cấu trúc lớn hơn, cấu trúc sẽ hoạt động khác nhau. Điều này cho phép người dùng điều chỉnh các đặc tính cơ học của từng khối xây dựng. Ví dụ, một khối xây dựng đơn lẻ có thể được gấp lại thành một cấu trúc có thể dễ dàng nén lại hoặc gấp lại thành một hình dạng khác có khả năng chịu tải trọng đáng kể.

“Thực tế là bạn có thể tháo rời và cấu hình lại các siêu vật liệu 3D này cho phép người dùng thay đổi các đặc tính cơ học của cấu trúc khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau,” Yin nói. “Gấp theo một cách để dễ nén, gấp theo cách khác để cho phép chuyển động sang hai bên, gấp theo cách thứ ba để làm cho nó cứng cáp hoặc tăng cường sức mạnh thể chất của nó – v.v.

“Công việc này tập trung vào việc chứng minh khái niệm cơ bản,” Yin nói. “Bước tiếp theo của chúng tôi là chứng minh các ứng dụng cho khái niệm này.”

Tham khảo: “Siêu vật liệu lập trình dựa trên mô-đun Kirigami có thể biến đổi 3D” của Yanbin Li, Qiuting Zhang, Yaoye Hong và Jie Yin, ngày 29 tháng 7 năm 2021, Vật liệu chức năng nâng cao .
DOI: 10.1002 / adfm.202105641

Bài báo được xuất bản trên tạp chí Vật liệu Chức năng Nâng cao . Tác giả đầu tiên của bài báo là Yanbin Li, một Tiến sĩ. sinh viên tại NC State. Bài báo được đồng tác giả bởi Yaoye Hong, một Tiến sĩ. sinh viên tại NC State; và Qiuting Zhang, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Yale . Công trình được thực hiện với sự hỗ trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia theo tài trợ 2005374.

Theo Scitechdaily