Onderzoekers ontwerpen driedimensionale kirigami-bouwstenen om dynamische metamaterialen te maken

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

“Het toepassen van kirigami op driedimensionale materialen biedt een nieuw niveau van herconfigureerbaar voor deze structuren”, zegt Jie Yin, corresponderend auteur van een paper over het werk en een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde 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 en gevouwen. Terwijl kirigami wordt gedaan met behulp van tweedimensionale materialen, zoals papier, hebben Yin en zijn medewerkers de principes van kirigami toegepast op driedimensionale materialen die in verbonden kubussen worden gesneden.

Concreet hebben de onderzoekers 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, kunnen deze bouwstenen worden gevouwen 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 kunnen de grotere structuren ook worden gedemonteerd, waardoor gebruikers de kirigami-eenheden opnieuw kunnen samenstellen tot nieuwe structuren.”

Om de bruikbaarheid van het concept te demonstreren, hebben de onderzoekers meer dan een dozijn herconfigureerbare bouwstenen gemaakt. Elk blok bestond uit acht met elkaar verbonden papieren kubussen en kon opnieuw worden geconfigureerd in acht verschillende vormen. Video laat zien hoe elke eenheid opnieuw kan worden geconfigureerd in verschillende structuren, hoe die structuren kunnen worden geassembleerd tot grotere structuren en hoe de geassembleerde grote structuren weer kunnen 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, zal de structuur zich anders gedragen. Hierdoor kunnen gebruikers de mechanische eigenschappen van elke bouwsteen afstemmen. Een enkel bouwblok kan bijvoorbeeld worden gevouwen tot een structuur die gemakkelijk kan worden samengedrukt, of opnieuw worden gevouwen tot 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 naar behoefte te wijzigen om verschillende taken uit te voeren”, zegt Yin. “Vouw het op een manier om het gemakkelijk samen te drukken, vouw het op een andere manier om zijdelingse beweging mogelijk te maken, vouw het op 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.”

Het artikel, “3D Transformable Modular Kirigami-Based Programmable Metamaterials”, is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen.