Kirigami er en traditionel japansk kunstform, der indebærer skæring og foldningspapir til at producere komplekse tredimensionelle (3D) strukturer eller genstande. I løbet af de sidste årtier er denne kreative praksis også blevet anvendt i forbindelse med fysik, teknik og materialevidenskabelig forskning for at skabe nye materialer, enheder og endda robotsystemer.
Forskere ved Sichuan University og McGill University udtænkte for nylig en ny tilgang til den omvendte konstruktion af Kirigami, som ikke er afhængig af avancerede beregningsværktøjer og numeriske algoritmer. Denne nye metode, der er beskrevet i et papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbrevekunne forenkle designet af komplicerede Kirigami til en lang række anvendelser i den virkelige verden.
“Dette arbejde er en naturlig udvidelse af vores tidligere arbejde med Kirigami,” fortalte Damiano Pasini, senior tilsvarende forfatter af The Paper, til LektieForum.
“Den første forfatter, Chuan Qiao, er en tidligere ph.d. -studerende. Avancerede materialerhvor vi vedtog en enhedscelletilgang til at undersøge deformationen af en Kirigami lavet af roterende enheder med vilkårligt formede trekanter. “
I deres tidligere undersøgelser var forskerne i stand til bedre at forstå den rolle, som de geometriske parametre for spaltemønstre (f.eks. Interne vinkler og længder) spiller i den anisotrope installation af Kirigami. For at gøre dette vurderede de ændringer i form observeret i den endelige installation af Kirigami ved at undersøge længden af siderne og de indre vinkler på de trekantede enheder.
“Dette udløste et sæt indbyrdes forbundne spørgsmål, såsom: hvordan ville en Kirigami deformere, hvis vi blot ændrer hele formen på den roterende enhed i sin helhed, i modsætning til at ændre dens geometriske bestanddele individuelt, som vi gjorde i tidligere arbejde? Er der en fysisk relation mellem Kirigami deformation og formen af dens roterende enhed? Og kan denne geometriske relation etablere et intuitiv Kirigami? ” sagde Pasini.
“Med disse spørgsmål i tankerne blev vores mål derefter todelt: at afsløre den grundlæggende sammenhæng mellem formen på de roterende enheder og formen på den indsatte Kirigami og at udnytte en sådan relation til design af Kirigami, der går ud på brugen af temmelig sofistikerede numeriske metoder, der i øjeblikket bruges i litteraturen.”
I deres nye papir viste Pasini og hans kolleger, at der er et simpelt forhold mellem stammen påført en roterende enhed (γ*maks) og forskydningsdeformationen af en indsat trekant Kirigami (γmaks). Deres foreslåede metode til omvendt at designe Kirigami udnytter dette ligefremme forhold.
“Den vigtigste opfattelse er, at forskydningsstammen, der påføres de indledende roterende enheder, der krymper vandret, når vi bevæger os fra venstre til den midterste skitse, er i den modsatte retning af forskydningsstammen af den indsatte trekant Kirigami, som i modsætning hertil udvides vandret (når den først er indsat),” sagde Pasini.
“Denne indsigt kan udnyttes til den inverse design af Kirigami. Ved en simpel geometrisk indstilling af formen på de roterende enheder med forskydningsstammer kan vi opnå installation på målet. Den eneste grundlæggende operation, vi har brug for, er at bruge et arealbevarende kort for at anvende forskydningsstammen.”
Den nye tilgang til konstruktion af Kirigami, der blev introduceret af dette team af forskere, kræver tre nøgleingredienser. Dette er den kontraherede form af de roterende enheder, formen på en indsat Kirigami og et arealbevarende kort, der skitserer overgangen fra den indsatte Kirigami til dens ikke-indgivne (dvs. kontrakt) form.
“Med ingredienserne ovenfor kan forskydningsstammen af den indsatte trekant Kirigami programmeres ved at påføre en forskydningsstamme på formen af de roterende enheder i den modsatte retning,” sagde Pasini. “Vores metode kan nu forlade alle numeriske beregninger og programmere forskydningsdeformationen af et Kirigami -eksemplar efter vilje på en hurtig, alsidig måde.”
For at demonstrere potentialet i deres omvendte designmetode brugte Pasini og hans kolleger den til at producere tre forskellige typer morfingmål, nemlig den kontraherede form, den indsatte form og de interne bane for roterende enheder i Kirigami.
Denne nylige undersøgelse viser et grundlæggende forhold mellem deformationen af Kirigami og formen på deres roterende enheder, som kan bruges til at designe disse strukturer. Holdets geometriske designmetode kunne snart bruges til at skabe en lang række Kirigami -design, der kan hjælpe med at tackle komplekse tekniske udfordringer.
“Dette arbejde bringer jorden-regler indsigt i morfende stof med roterende enheder og tilbyder en intuitiv, førstehåndsgeometrisk rute til den hurtige design af kompleks Kirigami,” tilføjede Pasini. “Lignende observationer kan også drages ved at inspicere morfingen af quadrilateral Kirigami, hvilket viser løftet om dette arbejde for at beskrive andre Kirigami -mønstre.”