En ny metod för att producera metamaterial bygger på kirigami-tekniker för att göra tredimensionella, omkonfigurerbara byggstenar som kan användas för att skapa komplexa, dynamiska strukturer. Eftersom designmetoden är modulär, dessa strukturer är lätta att både montera och demontera.

"Att tillämpa kirigami på tredimensionella material erbjuder en ny nivå av omkonfigurerbarhet för dessa strukturer, " säger Jie Yin, motsvarande författare till en artikel om arbetet och en docent i maskin- och rymdteknik vid North Carolina State University.

Forskare är optimistiska om att dessa 3D-metamaterial skulle kunna användas i applikationer som lätta byggmaterial för byggnader, komponenter för modulär robotik och vågledning i akustiska metamaterial.

Kirigami är en variant av origami som involverar skärning av papper, förutom att vika den. Medan kirigami görs med tvådimensionella material, som papper, Yin och hans medarbetare har tillämpat principerna för kirigami på tredimensionella material som skärs i sammankopplade kuber.

Specifikt, forskarna modellerade sitt nya tillvägagångssätt med hjälp av en serie av åtta sammankopplade kartongkuber som är öppna på två sidor. Tänk på varje enhet med åtta anslutna kuber som en byggsten. Beroende på hur kuberna är kopplade till varandra, dessa byggstenar kan vikas till mer än 300, 000 olika mönster.

"Tänk på dessa kirigami-enheter som mångsidiga byggstenar som kan sättas ihop för att skapa större strukturer med olika mekaniska egenskaper, " säger Yin. "Och mer, de större strukturerna kan också demonteras, så att användarna kan sätta ihop kirigami-enheterna till nya strukturer."

För att visa nyttan av konceptet, forskarna skapade mer än ett dussin omkonfigurerbara byggstenar. Varje block bestod av åtta sammankopplade papperskuber och kunde omkonfigureras till åtta olika former. Video belyser hur varje enhet kan konfigureras om till olika strukturer, hur dessa strukturer kunde sättas ihop till större strukturer, och hur de sammansatta stora strukturerna kunde demonteras tillbaka till de omkonfigurerbara blocken. (Videon kan ses överst på sidan.)

Beroende på orienteringen av de solida kubväggarna och öppna sidorna i varje block, och placeringen av varje block i den större strukturen, strukturen kommer att bete sig annorlunda. Detta tillåter användare att ställa in varje byggstens mekaniska egenskaper. Till exempel, ett enda byggblock skulle kunna vikas till en struktur som lätt kan komprimeras, eller återvikt till en annan form som är kapabel att bära en betydande belastning.

"Det faktum att du kan demontera och konfigurera om dessa 3D-metamaterial tillåter användare att ändra de mekaniska egenskaperna hos en struktur efter behov för att utföra olika uppgifter, " säger Yin. "Vik den på ett sätt för att göra den lätt att komprimera, vik den på ett annat sätt för att möjliggöra sidorörelse, vik den på ett tredje sätt för att göra den styv eller förbättra dess fysiska styrka – och så vidare.

"Detta arbete var fokuserat på att demonstrera det grundläggande konceptet, " säger Yin. "Vårt nästa steg är att demonstrera tillämpningar för konceptet."

Pappret, "3D transformerbara modulära Kirigami-baserade programmerbara metamaterial, " publiceras i tidskriften Avancerade funktionella material .