Raziskovalci na državni univerzi North Carolina so razvili materiale, ki jih je mogoče uporabiti za ustvarjanje struktur, ki se lahko preoblikujejo v več različnih arhitektur.
Raziskovalci predvidevajo uporabo na področjih, ki segajo od konstrukcije do robotike. “Sistem, ki smo ga razvili, je navdihnila metamorfoza,” pravi Jie Yin, avtorica prispevka o delu in izredna profesorica za strojništvo in vesoljsko inženirstvo na NC State. »V naravi živali z metamorfozo spremenijo svojo temeljno obliko. Ustvarili smo razred materialov, ki jih je mogoče uporabiti za ustvarjanje struktur, ki spreminjajo njihovo temeljno arhitekturo.”
Kirigami je temeljni koncept za Yinovo delo. Kirigami je različica origamija, ki vključuje rezanje in zlaganje papirja. Toda medtem ko kirigami tradicionalno uporablja dvodimenzionalne materiale, Yin uporablja ista načela za tridimenzionalne materiale.
Sistem metamorfoze se začne z eno samo enoto 3D kirigamija. Vsaka enota lahko sama tvori več oblik. Toda te enote so tudi modularne – lahko jih povežemo v vse bolj zapletene strukture. Ker lahko posamezne enote same tvorijo več oblik in se lahko povežejo z drugimi enotami na več načinov, je celoten sistem sposoben tvoriti široko paleto arhitektur. “Pomislite, kaj lahko zgradite s konvencionalnimi materiali,” pravi Yin. “Zdaj si predstavljajte, kaj lahko zgradite, ko se lahko vsak osnovni gradnik preoblikuje na več načinov.”
Yinov laboratorij je pred tem pokazal [1] podoben koncept, v katerem so bile 3D kirigami enote zložene ena na drugo. V tem sistemu bi se enote lahko uporabile za sestavljanje strukture – vendar bi lahko strukturo tudi nato razstavili.
Sistem metamorfoze vključuje dejansko povezovanje kirigami enot. Z drugimi besedami, ko so enote med seboj povezane, jih ni mogoče razstaviti. Vendar pa se večje strukture, ki jih ustvarijo, lahko spremenijo v več različnih arhitektur. Videoposnetek sistema metamorfoze si lahko ogledate na [2].
“Obstajata dve veliki razliki med našim prvim kirigami sistemom in sistemom metamorfoze,” pojasnjuje Yin.
»Prvi kirigami sistem je vključeval enote, ki jih je bilo mogoče sestaviti v arhitekture in jih nato razstaviti, kar je prednost. Vendar, ko so bile enote sestavljene, se arhitektura ne bi mogla preoblikovati. Ker stranice enote niso bile toge in pritrjene pod kotom 90 stopinj, se je sestavljena struktura lahko upognila in premikala – vendar ni mogla bistveno spremeniti svoje geometrije.
“Sistem kirigami metamorfoze vam ne omogoča razstavljanja strukture,” pravi Yin. »In ker so stranice vsake kubične enote toge in pritrjene pod kotom 90 stopinj, se sestavljena struktura ne ukrivi ali zelo upogne. Vendar se končna struktura lahko spremeni v različne arhitekture.”
Kot dokaz koncepta so raziskovalci pokazali, da je sistem metamorfoze sposoben ustvariti veliko različnih struktur, ki so sposobne nositi pomembno težo, hkrati pa ohraniti svojo strukturno celovitost. Ta strukturna celovitost je pomembna, ker Yin meni, da je konstrukcija ena od možnih aplikacij za sistem metamorfoze.
“Če ta pristop povečate, bi to lahko bila osnova za novo generacijo gradbenih materialov, ki jih je mogoče uporabiti za ustvarjanje struktur, ki jih je mogoče hitro namestiti,” pravi Yin. “Pomislite na zdravstvene enote, ki jih je bilo treba v kratkem času razširiti med pandemijo, ali potrebo po zavetišču za nujne primere po katastrofi.”
Raziskovalci tudi menijo, da bi lahko sistem metamorfoze uporabili za ustvarjanje različnih robotskih naprav, ki se lahko preoblikujejo, da se odzovejo na zunanje dražljaje ali opravljajo različne funkcije.
“Prav tako menimo, da bi lahko ta sistem uporabili za ustvarjanje nove linije igrač – zlasti igrač, ki lahko pomagajo ljudem pri raziskovanju nekaterih temeljnih STEM konceptov, povezanih s fiziko in inženiringom,” pravi Yin. “Odprti smo za sodelovanje s sodelavci iz industrije, da bi iskali te in druge potencialne aplikacije za sistem.”
Članek “Metamorphosis of three-dimensional kirigami-inspired reconfigurable and reprogrammable architected matter,”, je objavljen v reviji Materials Today Physics. Prvi avtor prispevka je Yanbin Li, doktorski študent na NC State. Delo je bilo opravljeno s podporo Nacionalne znanstvene fundacije v okviru štipendije 2005374.
Viri:
https://news.ncsu.edu/2021/08/3d-kirigami-metamaterials/
https://www.youtube.com/watch?v=hOplS5J_wHI
Povzeto po:
