Japanse kunstvorm inspireert nieuwe engineeringtechniek

Papieren sneeuwvlokken, pop-up kinderboeken en uitgebreide papieren kaarten zijn interessant voor meer dan alleen hobbyisten. Een team van ingenieurs van de Northwestern University gebruikt ideeën uit papiervouwpraktijken om een ​​geavanceerd alternatief voor 3D-printen te creëren.

Kirigami komt van de Japanse woorden “kiru” (snijden) en “kami” (papier) en is een traditionele kunstvorm waarin papier nauwkeurig wordt gesneden en getransformeerd tot een 3D-object. Door dunne materiaal- en softwarefilms te gebruiken om exacte geometrische sneden te selecteren, kunnen ingenieurs een breed scala aan complexe structuren creëren door inspiratie te halen uit de praktijk.

Onderzoek, gepubliceerd in 2015, toonde veelbelovend in het kirigami “pop-up” fabricagemodel. In deze iteratie waren de lintachtige structuren die door de sneden werden gecreëerd, open vormen, met een beperkt vermogen om gesloten vormen te bereiken. Ander onderzoek dat op dezelfde inspiratie voortbouwt, toont voornamelijk aan 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 zet het proces een stap verder.

Horacio Espinosa, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de McCormick School of Engineering, zei dat zijn team in staat was om ontwerpconcepten en kirigami toe te passen op nanostructuren. Espinosa leidde het onderzoek en is de James N. en Nancy J. Farley hoogleraar productie en ondernemerschap.

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

De onderzoekers beginnen met het creëren van 2D-structuren met behulp van de modernste methoden voor de fabricage van halfgeleiders en zorgvuldig geplaatste “kirigami-sneden” op ultradunne films. Structurele instabiliteiten die worden veroorzaakt door restspanningen in de films, creëren vervolgens goed gedefinieerde 3D-structuren. De geconstrueerde kirigami-structuren zouden in een aantal toepassingen kunnen worden gebruikt, variërend van grijpers op microschaal (bijv. Cell picking) tot ruimtelijke lichtmodulatoren tot stroomregeling in vliegtuigvleugels. Deze mogelijkheden positioneren de techniek voor mogelijke toepassingen in biomedische apparaten, energieoogst en ruimtevaart.

Meestal is er een limiet aan het aantal vormen dat kan worden gemaakt met een enkel kirigami-motief. Maar door variaties in de sneden te gebruiken, kon het team het buigen en draaien van de film demonstreren die resulteren 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, ongebruikelijke 3D-vormen kunnen bereiken en een bredere functionaliteit bieden.

Zo klikken elektrostatische micro-pincetten dicht, wat hard kan zijn voor zachte monsters. Een pincet op basis van kirigami daarentegen kan worden ontworpen om de grijpkracht nauwkeurig te regelen door de mate van rekken af ​​te stemmen. In deze en andere toepassingen neemt de mogelijkheid om snijlocaties te ontwerpen en structureel gedrag te voorspellen op basis van computersimulaties, vallen en opstaan ​​uit, waardoor geld en tijd in het proces worden bespaard.

Naarmate hun onderzoek vordert, zegt Espinosa dat zijn team van plan is de grote ruimte van kirigami-ontwerpen te verkennen, inclusief arrayconfiguraties, om een ​​groter aantal mogelijke functionaliteiten te bereiken. Een ander gebied voor toekomstig onderzoek is de inbedding van gedistribueerde actuatoren voor de inzet en besturing van kirigami. Door de techniek verder te onderzoeken, gelooft het team dat kirigami gevolgen kan hebben voor architectuur, ruimtevaart en milieutechniek.