Новое исследование, проведенное междисциплинарной группой, в том числе Орасио Эспиноза и Шридхар Кришнасвами из Northwestern Engineering и Глаусио Паулино из Технологического института Джорджии, направлено на продвижение создания и понимания таких складчатых структур для различных приложений, от мягкой робототехники до медицинских устройств и сборщиков энергии.
Вдохновленные оригами, механические метаматериалы – искусственные структуры с механическими свойствами, определяемыми их структурой, а не составом – привлекли значительное внимание из-за их способности создавать развертываемые и легко настраиваемые структуры и материалы.
Что не было известно, так это то, какие структуры объединяют восстанавливаемость формы, выраженные направленные механические свойства и обратимую ауксетичность – это означает, что их поперечные размеры могут увеличиваться, а затем уменьшаться при постепенном сжатии.
Хотя некоторые структуры трехмерного оригами были созданы с помощью аддитивного производства, достижение свойств складывания, отображаемых в идеальном бумажном оригами, оставалось проблемой.
Используя наноразмерные эффекты для дизайна оригами, команда исследователей из инженерной школы Маккормика и Технологического института Джорджии попыталась ответить на этот вопрос. Они производили небольшие трехмерные метаматериалы оригами, успешно сохраняя лучшие свойства, не прибегая к артефактам для складывания.
«Созданные структуры представляют собой мельчайшие изготовленные метаматериалы, спроектированные в стиле оригами, демонстрирующие беспрецедентное сочетание механических свойств», – сказали Эспиноза, Джеймс и Нэнси Дж. Фарли, профессор производства и предпринимательства и профессор машиностроения и (любезно) биомедицинской инженерии, а также гражданского строительства и охраны окружающей среды.
«Наша работа продемонстрировала, что рациональный дизайн метаматериалов с большой степенью восстанавливаемости формы и жесткостью и деформацией в зависимости от направления возможен с использованием конструкций оригами, и что складываемость оригами обеспечивает состояние, при котором материал изначально расширяется, а затем сжимается в боковом направлении (обратимая ауксетичность ) ", – добавил Эспиноза, который является директором программы для выпускников теоретической и прикладной механики Северо-Западного университета. "Такие свойства обещают повлиять на ряд приложений в широком диапазоне областей, включая нано-, микро- и макромасштаб, используя внутреннюю масштабируемость сборок оригами."
«Руководствуясь геометрией, масштабирование и миниатюризация метаматериала оригами захватывает само по себе и благодаря беспрецедентной многофункциональности, которую он естественным образом обеспечивает», – сказал Паулино, председатель Рэймонда Аллена Джонса в Школе гражданской и экологической инженерии Технологического института Джорджии.
«Только междисциплинарные усилия, сочетающие дизайн оригами, трехмерную лазерную печать с наноразмерным разрешением и механические испытания in situ с помощью электронной микроскопии, могут выявить беспрецедентную комбинацию свойств, продемонстрированных нашей работой, и их потенциальное влияние на будущие приложения», – добавил Паулино, который внес свой вклад в создание Программа Национального научного фонда Emerging Frontiers in Research and Innovation под названием ODISSEI (Оригами дизайн для интеграции самосборных систем для инженерных инноваций).
«Так же, как природа спроектировала широкий спектр структур, используя всего несколько систем материалов, оригами позволяет нам создавать упругие структурные компоненты с различными физическими свойствами в разных направлениях», – сказал Кришнасвами, профессор машиностроения.
«Мы можем представить себе мягких микророботов на основе оригами, которые будут жесткими в некоторых направлениях, чтобы нести полезные нагрузки, сохраняя при этом другие степени гибкости для движения. Оригами-метаматериалы, которые используют обратимую ауксетичность и большую деформацию, могут привести к многофункциональным приложениям, начиная от развертываемых микрохирургических инструментов и медицинских устройств до управления энергией и сбора энергии », – добавил Кришнасвами, директор Северо-западного центра интеллектуальных структур и материалов.
По словам Эспинозы, исследование представляет новые возможности, которые необходимо изучить в долгосрочной перспективе.
«Есть несколько возможностей», – сказал он. «Одним из них является изготовление структур оригами из керамических и металлических материалов с сохранением наноразмерных размеров, чтобы использовать размерные эффекты в механическом отклике структур, ведущие к превосходному рассеянию энергии на единицу объема и массы. Другой – использование пьезоэлектрических полимеров, что может привести к сборке энергии, которая может управлять модальностями зондирования или приводить в действие микрохирургические инструменты."