Harvard-ingenieurs zijn pioniers in programmeerbare Kirigami-metamaterialen voor slimme zachte robotica

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

Kirigami is een Japanse kunst van papierknippen, wat vouwen en daarna vakbekwaam het papier knippen in de gewenste vorm omvat. Het 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 in 3D-vormen om te zetten, en zelfs een slang-geïnspireerde robot te ontwikkelen. Dit is net het begin: deze techniek kan in de nabije toekomst een verscheidenheid aan toepassingen hebben.

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

Functionaliteiten van Kirigami-materialen vergroten

Kirigami-metamaterialen kunnen gemakkelijk gesneden en getransformeerd worden in complexe driedimensionale configuraties bij rekken. Het introduceren van hiërarchie in kirigami-structuren verbetert hun functionaliteiten verder omdat het grotere rekbaarheid en bredere afstembaarheid van bandgaten mogelijk maakt.

Tot nu toe hebben studies op hiërarchische kirigami-metamaterialen zich gericht op in-plane deformatie van dikke vellen. In dit werk hebben onderzoekers dunne hiërarchische kirigami-vellen en hun out-of-plane knikgedrag onderzocht.

Referentie: Advanced Functional Materials | DOI:10.1002/adfm.201906711 | Harvard University

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

Zowel het eerste als het tweede niveau van snijden reageren (het tweede niveau voegt rikere sets van reacties toe) wanneer het metamateriaal gerekt wordt.

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

Om te demonstreren wat ze bereikt hebben, rekten ze deze programmeerbare hiërarchische kirigami-vellen om een bericht weer te geven dat "I Love HU" luidt, en bepaalde vormen te onthullen zoals een kerstboom.

Samengevat, wanneer twee of meer hiërarchische patronen gemengd worden om één heterogeen oppervlak te vormen, kunnen onderzoekers de mechanische respons verder configureren en data versleutelen in en uitlezen via de toegepaste mechanische deformatie.

Wat is de volgende stap?

De techniek die in deze studie is ontwikkeld, bijdraagt aan het veld van morfologische berekeningen en programmeerbare metamaterialen. Het opent ook nieuwe deuren voor het ontwerpen van slimme zachte huden met multimodale functionaliteiten.

Lees: 15 Verschillende Typen Robots

Met verhoogde 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 huden te bouwen die wrijvingsniveaus aanpassen op basis van de omgeving.