Geïnspireerd door botten en andere cellulaire vaste stoffen in de natuur, hebben mensen hetzelfde concept gebruikt om bouwmaterialen te ontwikkelen. Door de geometrie van de cellen waaruit deze materialen bestaan ​​te veranderen, kunnen onderzoekers de mechanische, thermische of akoestische eigenschappen van het materiaal aanpassen. Bouwmaterialen worden in een breed scala aan toepassingen gebruikt, van schokabsorberend verpakkingsschuim tot warmteregulerende radiatoren.

Met behulp van Kirigami, de Japanse kunst van kirigami en origami, hebben MIT-onderzoekers ultrasterke, lichtgewicht materialen ontwikkeld met instelbare mechanische eigenschappen zoals stijfheid en flexibiliteit. Deze materialen kunnen worden gebruikt in vliegtuigen, auto's of ruimtevaartuigen. Beeldbron: Aangeleverd door onderzoekers


MIT-onderzoekers hebben een gebruikelijk origami-vouwpatroon aangepast, zodat de scherpe punten van de gegolfde structuur facetten worden. Deze facetten zorgen, net als de facetten op een diamant, voor een vlak oppervlak waarop de plaat gemakkelijker kan worden bevestigd met bouten of klinknagels. Beeldbron: Aangeleverd door onderzoekers


MIT-onderzoekers hebben Kirigami, de oude Japanse kunst van origami en kirigami, gebruikt om een ​​hoogwaardig structureel materiaal te creëren, rooster genaamd, op een schaal die veel verder gaat dan wat wetenschappers eerder hebben kunnen bereiken met additieve productie. Met deze technologie kunnen ze deze structuren maken van metaal of andere materialen met aangepaste vormen en speciaal op maat gemaakte mechanische eigenschappen.

"Dit materiaal lijkt op staalkurk. Het is lichter dan kurk, maar heeft een hoge sterkte en hoge stijfheid", zegt professor Neil Gershenfeld, directeur van MIT's Center for Bits and Atoms (CBA) en senior auteur van een nieuw artikel over deze aanpak.

De onderzoekers ontwikkelden een modulair productieproces waarbij veel kleinere onderdelen worden gevormd, gevouwen en samengevoegd tot driedimensionale vormen. Met deze aanpak creëren ze ultralichte, ultrasterke structuren en robots die onder specifieke belastingen kunnen vervormen en hun vorm behouden.


De onderzoekers activeerden de gegolfde structuur door staaldraden op flexibele oppervlakken te spannen en deze vervolgens te verbinden met een systeem van katrollen en motoren, waardoor ze in beide richtingen konden buigen. Beeldbron: Aangeleverd door onderzoekers

Omdat deze constructies licht van gewicht, sterk, stijf en relatief gemakkelijk in massa te produceren zijn, zijn ze vooral nuttig in onderdelen voor de bouw, vliegtuigen, auto's en ruimtevaart.

Ook schrijven de paper samen met Gershenfeld co-eerste auteurs, CBA-onderzoeksassistent Alfonso Parra Rubio en MIT elektrotechniek en computerwetenschappen afgestudeerde student Klara Mundilova, evenals CBA afgestudeerde student David Preiss en MIT computerwetenschappen professor Erik D. Demaine. De onderzoeksresultaten werden gepresenteerd op de American Society of Mechanical Engineers Engineering Computers and Information Conference.

Structurele materialen zoals rooster worden vaak gebruikt als de kern van een composietmateriaal dat bekend staat als een sandwichstructuur. Om een ​​sandwichstructuur voor te stellen, stelt u zich een vliegtuigvleugel voor, waarbij een reeks elkaar kruisende diagonale balken een roosterkern vormen die is ingeklemd tussen de boven- en onderpanelen. Deze truss-structuur heeft een hoge stijfheid en sterkte en is toch zeer licht van gewicht.

Een paneelrooster is een honingraatstructuur die bestaat uit driedimensionale snijpunten van platen in plaats van balken. De sterkte en stijfheid van deze hoogwaardige constructies overtreffen zelfs die van vakwerkroosters, maar vanwege hun complexe vormen is het vervaardigen ervan met behulp van gangbare technieken zoals 3D-printen een uitdaging, vooral bij grootschalige technische toepassingen.

MIT-onderzoekers hebben deze productie-uitdagingen overwonnen met behulp van tungpapier, een techniek waarbij papier wordt gevouwen en gesneden om 3D-vormen te creëren die teruggaat tot Japanse kunstenaars uit de 7e eeuw.


De onderzoekers gebruikten hun methode om een ​​aluminium structuur te creëren met een druksterkte van ruim 62 kilonewton, maar met een gewicht van slechts 90 kilogram per vierkante meter. Beeldbron: Aangeleverd door onderzoekers

Kirigami is gebruikt om panelen te maken met gedeeltelijk gevouwen zigzagplooien. Maar om een ​​sandwichstructuur te maken, moeten vlakke platen aan de boven- en onderkant van de gegolfde kern worden bevestigd en vervolgens aan de smalle punten die door de visgraatplooien ontstaan. Dit vereist vaak sterke lijm- of lastechnieken, waardoor de montage langzaam, duur en moeilijk op te schalen is.

MIT-onderzoekers hebben een gebruikelijk origami-vouwpatroon aangepast, zodat de scherpe punten van de gegolfde structuur facetten worden. Deze facetten zorgen, net als de facetten van een diamant, voor een vlak oppervlak waarop de platen gemakkelijker kunnen worden bevestigd met bouten of klinknagels.

"Plaatroosters presteren beter dan balkroosters in termen van sterkte en stijfheid, terwijl het gewicht en de interne structuur constant blijven", zegt ParraRubio. "Door het gebruik van twee-fotonenlithografie voor productie op nanoschaal hebben de theoretische stijfheid en sterkte de H-S-bovengrens bereikt. Plaatroosters zijn erg moeilijk te construeren en zijn daarom slecht bestudeerd op macroschaal. Wij geloven dat vouwen een manier is om het gemakkelijker te maken om dergelijke plaatachtige structuren van metaal te gebruiken. "

Bovendien zorgde de manier waarop de onderzoekers de patronen ontwierpen, vouwden en sneden ervoor dat ze bepaalde mechanische eigenschappen konden afstemmen, zoals stijfheid, sterkte en buigmodulus (de neiging van een materiaal om weerstand te bieden aan buiging). Ze codeerden deze informatie, samen met de driedimensionale vormen, in vouwkaarten, die ze gebruikten om deze geleipapierrimpelingen te creëren.

Afhankelijk van hoe de plooien zijn ontworpen, kunnen sommige cellen bijvoorbeeld zo worden gevormd dat ze hun vorm behouden wanneer ze worden samengedrukt, terwijl andere kunnen worden aangepast zodat ze buigen. Op deze manier kunnen de onderzoekers nauwkeurig bepalen hoe verschillende delen van de structuur onder druk vervormen.

Omdat de flexibiliteit van de constructie kan worden gecontroleerd, kunnen deze golven worden gebruikt in robots of andere dynamische toepassingen met bewegende, draaiende en buigende delen.

Om grote constructies zoals robots te maken, gebruiken onderzoekers een modulair assemblageproces. Ze produceren kleinere vouwpatronen in massa en assembleren deze tot ultralichte, ultrasterke driedimensionale structuren. De kleinere structuur heeft minder vouwen, wat het productieproces vereenvoudigt.

Met behulp van een aangepast Miura-ori-patroon creëerden de onderzoekers een vouwpatroon dat de gewenste vorm en structurele eigenschappen oplevert. Vervolgens gebruikten ze een unieke machine, een Zund-snijtafel, om vlakke platen metaal uit te snijden en in driedimensionale vormen te vouwen.

"Om producten als auto's en vliegtuigen te maken, moet je zwaar investeren in mallen. Voor dit productieproces zijn geen hulpmiddelen nodig, zoals bij 3D-printen. Maar in tegenstelling tot 3D-printen kan ons proces de grenzen stellen van het vastleggen van materiaaleigenschappen", aldus Gershenfeld.

Met behulp van hun methode creëerden ze een aluminium structuur met een druksterkte van ruim 62 kilonewton, maar met een gewicht van slechts 90 kilogram per vierkante meter. (Kurk weegt ongeveer 100 kilogram per vierkante meter) Hun structuur is erg sterk en kan drie keer de kracht weerstaan ​​van gewone aluminium golfplaten.

Deze veelzijdige technologie kan worden gebruikt in een breed scala aan materialen, waaronder staal en composieten, waardoor het ideaal is voor de productie van lichtgewicht schokabsorberende componenten voor vliegtuigen, auto's of ruimtevaartuigen.

De onderzoekers ontdekten echter dat hun aanpak moeilijk te modelleren zou kunnen zijn. Daarom zijn ze van plan om in de toekomst gebruiksvriendelijke CAD-ontwerptools voor deze rasterstructuren te ontwikkelen. Bovendien hopen ze methoden te onderzoeken om de rekenkosten voor het simuleren van de prestaties die hun ontwerpen vereisen, te verminderen.

Parra-Rubio, Mondilova en andere afgestudeerde studenten van MIT gebruikten deze techniek ook om drie grote gevouwen kunstwerken uit aluminiumcomposieten te maken, die te zien zijn in het MIT Media Lab. Hoewel elk stuk enkele meters lang is, duurde het slechts een paar uur om de structuren te creëren.

"Uiteindelijk is het kunstwerk alleen mogelijk dankzij de wiskundige en technische bijdragen die we in ons artikel demonstreren. Maar we willen ook de esthetische kracht van ons werk niet uit het oog verliezen", aldus ParraRubio.