Harvard-onderzoekers bouwen programmeerbare metamaterialen met Kirigami

• Het nieuwe framework kan kirigami-oppervlakken programmeren zodat ze kunnen worden geïntegreerd in zachte robotica.
• De techniek opent nieuwe deuren voor het ontwerpen van slimme zachte skins met multimodale functionaliteiten.

Kirigami is een Japanse kunst van het snijden van papier, waarbij het papier wordt gevouwen en vervolgens vakkundig in de gewenste vorm wordt gesneden. De voltooide kirigami wordt bekeken door het papier uit te vouwen. Eenvoudige kirigami zijn meestal symmetrisch, zoals pentagrammen of sneeuwvlokken.

In de afgelopen jaren hebben wetenschappers deze kunst gebruikt om vierkanten in cirkels te transformeren, 2D-vormen om te zetten in 3D-vormen en zelfs een op slangen geïnspireerde robot te ontwikkelen. Dit is nog maar het begin:deze techniek kan in de nabije toekomst verschillende toepassingen hebben.

Onlangs hebben onderzoekers van Harvard University een raamwerk ontwikkeld om kirigami-oppervlakken te programmeren, zodat deze structuren kunnen worden gebruikt voor draagbare apparaten, rekbare elektronica, vormveranderende robots en meer.

Vergroten van functionaliteiten van Kirigami-materialen

Kirigami-metamaterialen kunnen bij rekken gemakkelijk worden gesneden en omgezet in een complexe driedimensionale configuratie. Het introduceren van hiërarchie in kirigami-structuren verbetert hun functionaliteiten verder omdat het een grotere rekbaarheid en bredere afstemming van bandgaps mogelijk maakt.

Tot nu toe waren studies over hiërarchische kirigami-metamaterialen gericht op vervorming in het vlak van dikke platen. In dit werk hebben onderzoekers dunne hiërarchische kirigami-bladen en hun knikgedrag buiten het vlak onderzocht.

Referentie:Geavanceerde functionele materialen | DOI:10.1002/adfm.201906711 | Harvard-universiteit

Ze gebruikten lasersnijden om het vel in een reeks vierkante dozen te verdelen. Vervolgens hebben ze deze dozen verder onderverdeeld in kleinere vierkanten met behulp van een ander niveau van uitsnijdingen.

Zowel het eerste als het tweede niveau van bezuinigingen reageren (het tweede niveau van bezuinigingen voegt rijkere reeksen reacties toe) wanneer het metamateriaal wordt uitgerekt.

Het onderzoeksteam ontdekte dat het mogelijk is om mechanische metamaterialen te programmeren door zorgvuldig de dikte van de platen en de breedte van de sneden op elk niveau te kiezen.

Om te laten zien wat ze hebben bereikt, hebben ze deze programmeerbare hiërarchische kirigami-bladen uitgerekt om een ​​bericht weer te geven met de tekst "I Love HU", en bepaalde vormen zoals een kerstboom te onthullen.

Samengevat, wanneer twee of meer hiërarchische patronen met elkaar worden gemengd om één heterogeen oppervlak te vormen, kunnen onderzoekers de mechanische respons verder configureren en gegevens coderen in en uitlezen via de toegepaste mechanische vervorming.

Wat nu?

De in deze studie ontwikkelde techniek draagt ​​bij aan het gebied van morfologische berekeningen en programmeerbare metamaterialen. Het opent ook nieuwe deuren voor het ontwerpen van slimme zachte skins met multimodale functionaliteiten.

Lees:15 verschillende soorten robots

Met meer controle over de mechanische eigenschappen van het materiaal, is het mogelijk om hiërarchische kirigami-oppervlakken te integreren in zachte robotica om slimme displays, tactiele sensoren of skins te bouwen die de wrijvingsniveaus veranderen op basis van de omgeving.