En una prueba de concepto, los investigadores crearon más de una docena de bloques de construcción reconfigurables. Cada bloque constaba de ocho cubos de papel conectados y podía reconfigurarse en ocho formas diferentes. Estos bloques sirven como unidades básicas para construir una variedad de estructuras complejas como la que se muestra aquí. Crédito: Jie Yin, Universidad Estatal de Carolina del Norte
Un nuevo enfoque para producir metamateriales se basa en técnicas de kirigami para hacer bloques de construcción tridimensionales reconfigurables que se pueden usar para crear estructuras dinámicas complejas. Como el enfoque de diseño es modular, estas estructuras son fáciles de montar y desmontar.
“La aplicación de kirigami a materiales tridimensionales ofrece un nuevo nivel de reconfigurabilidad para estas estructuras”, dice Jie Yin, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
Los investigadores son optimistas de que estos metamateriales 3D se pueden utilizar en aplicaciones como materiales de construcción ligeros para edificios, componentes para robótica modular y guías de ondas en metamateriales acústicos.
Kirigami es una variación del origami que implica cortar papel y doblarlo. Si bien el kirigami se fabrica con materiales bidimensionales como el papel, Yin y sus colaboradores han aplicado los principios del kirigami a materiales tridimensionales que se cortan en cubos conectados.
Específicamente, los investigadores modelaron su nuevo enfoque utilizando una serie de ocho cubos de cartón conectados que se abren en ambos lados. Piense en cada unidad de ocho cubos conectados como un bloque de construcción. Dependiendo de cómo estén conectados los cubos entre sí, estos bloques de construcción se pueden doblar en más de 300,000 diseños diferentes.
“Piense en estas unidades kirigami como bloques de construcción versátiles que se pueden ensamblar para crear estructuras más grandes con diferentes propiedades mecánicas”, dice Yin. «Además, las estructuras más grandes también se pueden desmontar, lo que permite a los usuarios volver a montar las unidades kirigami en nuevas estructuras».
Para demostrar la utilidad del concepto, los investigadores crearon más de una docena de bloques de construcción reconfigurables. Cada bloque constaba de ocho cubos de papel conectados y podía reconfigurarse en ocho formas diferentes. El video destaca las formas en que cada unidad se puede reconfigurar en diferentes estructuras, cómo estas estructuras se pueden ensamblar en estructuras más grandes y cómo las grandes estructuras ensambladas se pueden volver a desmontar en bloques reconfigurables.
Dependiendo de la orientación de las paredes del cubo sólido y los lados abiertos en cada bloque, y la ubicación de cada bloque en la estructura más grande, la estructura se comportará de manera diferente. Esto permite a los usuarios ajustar las propiedades mecánicas de cada bloque de construcción. Por ejemplo, un solo bloque de construcción se puede plegar en una estructura que se puede comprimir o plegar fácilmente en una forma diferente que sea capaz de soportar una carga significativa.
“El hecho de que pueda desmontar y reconfigurar estos metamateriales 3D permite a los usuarios cambiar las propiedades mecánicas de una estructura según sea necesario para realizar diferentes tareas”, dice Yin. “Inclínese hacia un lado para aliviar la compresión, doble hacia el otro para permitir el movimiento lateral, inclínese hacia un tercio para ponerlo rígido o aumentar su resistencia, y así sucesivamente.
“Este trabajo se centró en demostrar el concepto fundamental”, dice Yin. «Nuestro siguiente paso es demostrar las aplicaciones del concepto».
Referencia: “Metamateriales programables modulares transformables en 3D basados en Kirigami” por Yanbin Li, Qiuting Zhang, Yaoye Hong y Jie Yin, 29 de julio de 2021, Materiales funcionales avanzados.
DOI: 10.1002 / adfm.202105641
El artículo fue publicado en la revista Advanced Functional Materials. El primer autor del artículo es Yanbin Li, estudiante de doctorado en NC State. El artículo fue coautor de Yaoye Hong, estudiante de doctorado en NC State; y Qiuting Zhang, investigador postdoctoral de la Universidad de Yale. El trabajo se llevó a cabo con el apoyo de la National Science Foundation bajo la subvención 2005374.
