Wang och Kamien-labbet samlade de största böckerna de kunde hitta från hela fysikavdelningen. De fann att sju exemplar av läroboken "Gravitation" på fem pund kunde stödjas av ett enda kirigamiark. Kredit:Randall Kamien
Den japanska konsten att origami (från ori, hopfällbar, och kami, papper) förvandlar platta pappersark till komplexa skulpturer. Variationer inkluderar kirigami (från kiri, att skära), en version av origami som gör att material kan skäras och återanslutas med hjälp av tejp eller lim.
Men medan båda konstformerna är en källa till idéer för vetenskapen, arkitektur, och design, var och en har grundläggande begränsningar. De platta vecken som krävs av origami resulterar i en upplåsbar övergripande struktur, medan kirigami-skapelser inte kan vikas tillbaka till sitt ursprungliga, tillplattade tillstånd på grund av limmet.
Med inspiration från båda konstformerna, forskare beskriver en ny uppsättning motiv för att skapa lätta, stark, och vikbara strukturer med mjuka material. Dessa kirigami-strukturer kan stödja 14, 000 gånger deras vikt och, eftersom de inte kräver lim eller fästelement, kan enkelt plattas till och vikas om. Publicerad i Fysisk granskning X , arbetet utfördes av gästande doktorand Xinyu Wang och professor Randall Kamien från University of Pennsylvania i samarbete med Simon Guest från University of Cambridge.
Wang, en Ph.D. student vid Southeast University, var intresserad av att studera de mekaniska egenskaperna hos origami- och kirigamistrukturer och nådde Kamien för att starta ett nytt samarbete. Efter att Wang anlände till Kamien-labbet i september 2018, Kamien bad henne att prova några nya designs med hjälp av hans grupps uppsättning regler för att utforska kirigami-strukturer.
En närbild av de viktbärande kirigami-strukturerna skapade av Xinyu Wang när han arbetade i Randall Kamiens labb. Varje upphöjd triangelplattform stöds av intilliggande flikar (visade i blått) som samverkar för att hålla strukturen på plats utan tejp eller klister. Kredit:Erica Brockmeier
Kort därefter, Wang visade Kamien en ny design för en kirigami-triangel som hade lutande väggar. Kamien blev först förvånad över att se att Wang hade lämnat de överflödiga flikarna från skärsåren på plats. "Den vanliga kirigami-rutten är att klippa av det och tejpa det, " säger Kamien. Wang "fann att, i denna speciella geometri, du kan få flikarna att passa."
Även om en enskild triangel inte var särskilt stark i sig, forskarna märkte att när flera var arrangerade i en repetitiv design, styrkan de kunde stödja var mycket större än förväntat. "Här var den här strukturen som inte krävde tejp, den hade skärsår, och det var riktigt starkt, " säger Kamien. "Plötsligt, vi har det här systemet som vi inte alls hade förutsett."
För att ta reda på vad som gjorde den här geometrin så motståndskraftig, Wang gjorde flera versioner av olika "mjuka" material, inklusive papper, koppar, och plast. Hon gjorde också versioner där de skurna flikarna var tejpade, skära, eller skadad. Använder industriklassad spännings- och kompressionstestutrustning vid Laboratory for Research on the Structure of Matter, forskarna fann att den geometriska strukturen kunde stödja 14, 000 gånger sin egen vikt. Den lutade, triangulär design var starkast när flikarna var oskadade och outtappade, och det var också starkare än samma design med vertikala väggar.
Med hjälp av Guest, forskarna insåg att två avvikelser från gruppens typiska kirigami-regler var nyckeln till strukturens styrka. När trianglarnas väggar är vinklade, all kraft som appliceras på toppen kan översättas till horisontell kompression i mitten av designen. "Med de vertikala, det finns inget sätt att vända en nedåtgående kraft till en sidledes kraft utan att böja papperet, " säger Kamien. De upptäckte också att överlappningen mellan papper och papper genom att lämna de skurna flikarna på plats gjorde att trianglarna trycktes upp mot sina grannar, vilket hjälpte till att fördela den vertikala belastningen.
Experiment utfördes med användning av industriklassad spännings- och kompressionstestutrustning för att se hur mycket belastning strukturerna kunde bära. När strukturerna äntligen kollapsar, väggar spänns antingen in eller ut, med den senare markerad med röda linjer. Denna observation hjälper till att förklara varför strukturer med tejpade eller skadade flikar inte klarade mycket vikt:Under tryck, trianglarna "spetsar" utåt och behöver ha täta grannar för att hålla sig på plats. Kredit:Xinyu Wang och Randall Kamien
Denna artikel är ytterligare ett exempel på hur kirigami kan användas som ett "verktyg" för forskare och ingenjörer, denna gång för att skapa starka, styva föremål av mjuka material. "Vi kom på hur man använder material som kan böjas och sträckas, och vi kan faktiskt stärka dessa material, " säger Wang. En möjlig tillämpning kan vara att göra billiga, lättvikt, och utplacerbara strukturer, som till exempel tillfälliga skyddstält som är starka och hållbara men som också enkelt kan monteras och demonteras.
Kamien föreställer också denna Interleaved Kirigami Extension Assembly som ett sätt att skapa möbler i framtiden. "Någon dag, du ska till IKEA, du viker in lådan i möblerna, och det enda inuti är kudden. Du behöver inte några av dessa kontakter eller små skruvar, säger Kamien.
Tack vare Wangs "inspirerade" design och Kamiens spirande samarbete med Wang och hennes rådgivare Jianguo Cai och Jian Feng, möjligheterna för framtida idéer och design är oändliga. "Det fanns saker med den här studien som är helt utanför ramarna för vad en fysiker skulle veta, " säger Kamien. "Det var den här perfekta blandningen av vad jag kunde och vad hon kunde göra."
