折纸是一种古老的日本艺术形式,其朴素和优雅吸引了研究人员探索其在材料世界中的应用。
跨学科团队的最新研究,包括西北工程的Horacio Espinosa和Sridhar Krishnaswamy以及乔治亚理工学院的Glaucio Paulino,旨在促进对这种折叠结构的创建和理解,这些结构适用于从软机器人到医疗设备再到能量收集器的各种应用。
受折纸启发的机械超材料-具有由其结构而不是其成分定义的机械性能的人造结构-由于其具有产生可展开且高度可调的结构和材料的潜力而受到了广泛的关注中国机械网okmao.com。
还不知道哪种结构整合了形状可恢复性,明显的方向机械性能和可逆的膨胀性-这意味着它们的横向尺寸可以增大,然后逐渐受到挤压而减小。尽管通过增材制造已经生产了一些3D折纸结构,但是要实现理想的纸折纸中显示的折叠特性仍然是一个挑战。
麦考密克工程学院和佐治亚理工学院的研究人员使用纳米级效果进行折纸设计,试图回答这个问题。他们制作了小型3D折纸构建的超材料,成功地保留了最佳属性,而无需借助人工制品进行折叠。
Espinosa,James and Nancy J. Farley制造与创业学教授,机械工程学教授以及(礼貌地)生物医学工程学,土木工程学教授说:“创造的结构构成了最小的折纸结构超材料,展现出前所未有的机械性能组合。”环境工程。
“我们的工作表明,采用折纸设计可以合理设计超材料,具有高度的形状可恢复性以及与方向相关的刚度和变形,折纸的可折叠性使材料可以首先膨胀然后横向收缩(可逆的膨胀性)。 ),”担任西北航空理论与应用力学研究生课程主任的Espinosa说道。“这些特性有望利用折纸组件的固有可扩展性,影响包括纳米,微米和宏观尺度在内的广泛领域的许多应用。”
佐治亚理工学院土木与环境工程学院教授雷蒙·艾伦·琼斯(Paulino)说:“在几何学的指导下,折纸超材料的缩放和微型化本身以及令人兴奋的前所未有的多功能性令人兴奋。”
Paulino补充说:“只有将折纸设计,具有纳米级分辨率的3D激光打印以及原位电子显微镜机械测试相结合的跨学科工作,才能揭示我们的工作所展现出的性能及其对未来应用的潜在影响的前所未有的结合,” Paulino补充说。国家科学基金会研究与创新的新兴领域计划名为ODISSEI(用于工程创新的自组装系统集成的折纸设计)。
机械工程学教授Krishnaswamy说:“就像自然界仅使用了几种材料系统便构建了各种各样的结构一样,折纸使我们能够沿不同方向设计具有不同物理特性的弹性结构组件。”
“我们可以设想基于折纸的软微型机器人,这些机器人在某些方向上是刚性的,可以承载有效载荷,同时保持其他程度的运动灵活性。利用可逆的膨胀性和大变形的折纸超材料可以导致多功能应用,包括可部署的显微外科器械和医疗设备,将其应用于能量引导和收集。”西北智能结构与材料中心主任Krishnaswamy补充说。
Espinosa说,这项研究提出了需要长期探索的新途径。
他说:“有很多可能性。” “一种是用陶瓷和金属材料制造的折纸结构,同时保留纳米级尺寸,以利用结构的机械响应中的尺寸效应,从而导致单位体积和质量的能量耗散更大。另一种是压电聚合物的使用,会产生能量收集器,从而驱动传感方式或为显微外科手术工具供电。”