Forskare har visat hur kirigami-inspirerade tekniker tillåter dem att designa tunna ark av material som automatiskt omkonfigureras till nya tvådimensionella (2-D) former och tredimensionella (3-D) strukturer som svar på miljöstimuli. Forskarna skapade en mängd olika robotenheter som ett bevis på konceptet för tillvägagångssättet.

"Detta är det första fallet som vi känner till där 2-D kirigami-mönster autonomt omformar sig själva till distinkta 3-D-strukturer utan mekanisk ingång, säger Jie Yin, en biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid North Carolina State University och motsvarande författare till en artikel om arbetet. "Istället, vi använder energi i form av värme, och materialet ordnar om sig självt."

Kirigami är en konstform där ett enda papper skärs och vikas för att skapa nya former och strukturer.

Det nya "aktiva kirigami"-konceptet bygger på ett treskiktigt material, som består av två yttre skikt som inte är känsliga för värme, och ett polymerskikt i mitten som drar ihop sig som svar på värme. Materialets form och struktur styrs på två sätt. Genomskärningar, som penetrerar alla tre skikten, kontrollera materialets rörelseomfång. Etsningar, som penetrerar de yttre skikten och exponerar den värmekänsliga polymeren, kontrollera vinkeln och riktningen i vilken materialet viks, samt hur långt den viker sig. När materialet viker sig, det öppnar genomskärningarna, ändra formen på arken till 2D- eller 3D-design.

Video som illustrerar hur aktiv kirigami fungerar kan ses nedan:

"Vi kan göra en 2D-mall med samma mönster av genomskärningar och använda den för att skapa många olika 3D-strukturer genom att göra små ändringar i etsningen, " säger Yin. "Detta gör effektivt de aktiva kirigami-arken programmerbara."

Som en del av deras proof of concept, forskare använde sin kirigami-metod för att skapa en svit av termoresponsiva kirigami-maskiner, inklusive enkla gripanordningar och självvikbara lådor. Forskarna skapade också en mjuk robot med en kirigami-kropp och pneumatiska ben. Genom att ändra kroppens orientering, forskarna kunde snabbt flytta om benen, ändra robotens rörelseriktning. Video av proof-of-concept-maskinerna:

"Vi använde en temperaturkänslig polymer för detta arbete, men det finns ingen anledning att tro att andra stimuli-känsliga polymermaterial – som fotoaktiva flytande kristaller – inte skulle fungera lika bra, " säger Yin. "Vi är glada över att utforska det potentiella utbudet av tillämpningar för dessa programmerbara, aktivt kirigami material."

Pappret, "Programmerbara aktiva kirigami-metablad med mer frihet att aktivera, " kommer att publiceras i Förfaranden från National Academy of Sciences .