Вдохновленные костями и другими твёрдыми клетками природы, люди использовали ту же концепцию для разработки строительных материалов. Изменяя геометрию ячеек, из которых состоят эти материалы, исследователи могут адаптировать механические, термические или акустические свойства материала. Строительные материалы используются в широком спектре применений: от амортизирующего упаковочного пенопласта до радиаторов теплорегулирования.

Используя киригами, японское искусство киригами и оригами, исследователи Массачусетского технологического института разработали сверхпрочные и легкие материалы с настраиваемыми механическими свойствами, такими как жесткость и гибкость. Эти материалы можно использовать в самолетах, автомобилях или космических кораблях. Источник изображения: предоставлено исследователями.


Исследователи Массачусетского технологического института изменили распространенный рисунок складок оригами так, чтобы острые точки гофрированной структуры стали гранями. Эти грани, как и грани алмаза, образуют плоскую поверхность, к которой пластину легче прикрепить болтами или заклепками. Источник изображения: предоставлено исследователями.


Исследователи Массачусетского технологического института использовали киригами, древнее японское искусство оригами и киригами, для создания высокоэффективного конструкционного материала, называемого решеткой, в масштабах, далеко превосходящих то, чего ученым ранее удавалось достичь с помощью аддитивного производства. Эта технология позволяет им создавать конструкции из металла или других материалов индивидуальной формы и специально подобранных механических свойств.

«Этот материал похож на стальную пробку. Он легче пробки, но обладает высокой прочностью и жесткостью», — сказал профессор Нил Гершенфельд, директор Центра битов и атомов Массачусетского технологического института (CBA) и старший автор новой статьи об этом подходе.

Исследователи разработали модульный производственный процесс, в котором множество более мелких деталей формируются, складываются и собираются в трехмерные формы. Используя такой подход, они создают сверхлегкие, сверхпрочные конструкции и роботов, способных деформироваться и сохранять форму при определенных нагрузках.


Исследователи приводили в действие гофрированную структуру, натягивая стальные проволоки на податливые поверхности, а затем соединяя их с системой шкивов и двигателей, позволяя им сгибаться в любом направлении. Источник изображения: предоставлено исследователями.

Поскольку эти конструкции легкие, прочные, жесткие и относительно простые в массовом производстве, они особенно полезны в строительстве, самолетах, автомобилях или аэрокосмических компонентах.

Вместе с Гершенфельдом статью пишут соавторы, научный сотрудник CBA Альфонсо Парра Рубио и аспирантка Массачусетского технологического института по электротехнике и информатике Клара Мундилова, а также аспирант CBA Дэвид Прейсс и профессор информатики Массачусетского технологического института Эрик Д. Демейн. Результаты исследования были представлены на конференции Американского общества инженеров-механиков по инженерным компьютерам и информации.

Конструкционные материалы, такие как решетка, часто используются в качестве основы композитного материала, известного как сэндвич-структура. Чтобы представить себе сэндвич-конструкцию, представьте себе крыло самолета, где ряд пересекающихся диагональных балок образует решетчатый сердечник, зажатый между верхней и нижней панелями. Эта ферменная конструкция обладает высокой жесткостью и прочностью, но при этом очень мала по весу.

Панельная решетка представляет собой сотовую конструкцию, состоящую из трехмерных пересечений пластин, а не балок. Прочность и жесткость этих высокопроизводительных конструкций превосходят даже ферменные решетки, но из-за их сложной формы изготовление их с использованием обычных методов, таких как 3D-печать, является сложной задачей, особенно в крупномасштабных инженерных приложениях.

Исследователи Массачусетского технологического института преодолели эти производственные проблемы, используя тунговую бумагу — технику складывания и резки бумаги для создания трехмерных фигур, которая восходит к японским художникам 7-го века.


Исследователи использовали свой метод для создания алюминиевой конструкции с прочностью на сжатие более 62 килоньютонов, но весом всего 90 килограммов на квадратный метр. Источник изображения: предоставлено исследователями.

Киригами использовался для создания панелей с частично согнутыми зигзагообразными складками. Но чтобы сделать сэндвич-конструкцию, плоские листы необходимо прикрепить сверху и снизу гофрированной сердцевины, а затем к узким местам, образованным складками «елочкой». Для этого часто требуются сильные клеи или методы сварки, что делает сборку медленной, дорогой и трудно масштабируемой.

Исследователи Массачусетского технологического института изменили распространенный рисунок складок оригами так, чтобы острые точки гофрированной структуры стали гранями. Эти грани, как и грани алмаза, образуют плоскую поверхность, к которой пластины легче крепить с помощью болтов или заклепок.

«Пластинчатые решетки превосходят балочные решетки с точки зрения прочности и жесткости, при этом вес и внутренняя структура остаются постоянными», — сказал ПарраРубио. «Благодаря использованию двухфотонной литографии для нанопроизводства теоретическая жесткость и прочность достигли верхнего предела HS. Пластинчатые решетки очень сложно построить, и поэтому они плохо изучены на макроуровне. Мы считаем, что складывание — это путь к облегчению использования таких пластинчатых структур из металла».

Кроме того, то, как исследователи проектировали, складывали и вырезали модели, позволило им настроить определенные механические свойства, такие как жесткость, прочность и модуль упругости при изгибе (склонность материала сопротивляться изгибу). Они закодировали эту информацию вместе с трехмерными формами в карты складок, которые использовали для создания желеобразной бумажной ряби.

Например, в зависимости от того, как устроены складки, некоторым ячейкам можно придать такую ​​форму, чтобы они сохраняли свою форму при сжатии, а другим можно изменить так, чтобы они сгибались. Таким образом, исследователи могут точно контролировать, как различные области конструкции деформируются при сжатии.

Поскольку гибкостью конструкции можно управлять, эти гофры можно использовать в роботах или других динамических приложениях с движущимися, скручивающими и изгибающимися деталями.

Чтобы создавать большие конструкции, такие как роботы, исследователи используют модульный процесс сборки. Они массово производят более мелкие узоры складок и собирают их в сверхлегкие и сверхпрочные трехмерные конструкции. Меньшая структура имеет меньше складок, что упрощает производственный процесс.

Используя модифицированный узор Миура-ори, исследователи создали рисунок складок, который придает желаемую форму и структурные свойства. Затем они использовали уникальную машину — режущий стол Zund — чтобы вырезать плоские листы металла и сложить их в трехмерные фигуры.

«Чтобы производить такие продукты, как автомобили и самолеты, вам необходимо вкладывать значительные средства в формы. Этот производственный процесс не требует никаких инструментов, таких как 3D-печать. Но в отличие от 3D-печати, наш процесс может устанавливать пределы записи свойств материала», — сказал Гершенфельд.

Используя свой метод, они создали алюминиевую конструкцию с прочностью на сжатие более 62 килоньютонов, но весом всего 90 килограммов на квадратный метр. (Пробка весит около 100 килограммов на квадратный метр.) Их структура очень прочная и выдерживает в три раза большую силу, чем обычная алюминиевая гофра.

Эту универсальную технологию можно использовать с широким спектром материалов, включая сталь и композиты, что делает ее идеальной для производства легких амортизирующих компонентов для самолетов, автомобилей или космических кораблей.

Однако исследователи обнаружили, что их подход сложно смоделировать. Поэтому в будущем они планируют разработать удобные для пользователя инструменты проектирования САПР для этих сетчатых структур. Кроме того, они надеются изучить методы снижения вычислительных затрат на моделирование производительности, необходимой для их проектов.

Парра-Рубио, Мондилова и другие аспиранты Массачусетского технологического института также использовали эту технику для создания трех больших сложенных произведений искусства из алюминиевых композитов, которые выставлены в Медиа-лаборатории MIT. Хотя каждая деталь имеет длину несколько метров, на создание конструкции ушло всего несколько часов.

«В конечном счете, произведение искусства возможно только благодаря математическому и инженерному вкладу, который мы демонстрируем в нашей статье. Но мы также не хотим упускать из виду эстетическую силу нашей работы», — сказал ПарраРубио.