研究人员设计出3D剪纸积木来制造动态超材料 可做出30万种不同设计

时间:2021-08-30 23:36:55 作者:水韵 热度:

 

研究人员设计出3D剪纸积木来制造动态超材料 可做出30万种不同设计

图源:Jie Yin, NC State University

超材料(metamaterial)指的是具有特殊性质的人造材料。奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景,从高接收率天线,到雷达反射罩甚至是地震预警。

一种生产超材料的新方法利用剪纸技术制作三维、可重构的积木,可用于创建复杂的动态结构。由于设计方法是模块化的,因此这些结构易于组装和拆卸。

“将剪纸应用于三维材料为这些结构提供了一个新的可重构水平,”该工作论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程副教授尹杰说。

研究人员乐观地认为,这些3D超材料可用于建筑轻质结构材料、模块化机器人组件和声学超材料中的波导等应用。

剪纸是折纸的一种变体,除了折叠纸之外,还涉及剪纸。虽然剪纸是使用二维材料完成的,比如纸,尹杰和他的合作者已经将剪纸的原理应用到被切割成连接立方体的三维材料上。

具体而言,研究人员使用一系列八个连接的两侧开口的纸板立方体来模拟他们的新方法。将八个连接立方体的每个单元视为一个构建块。根据立方体相互连接的方式,这些积木可以折叠成超过30万种不同的设计。

“将这些剪纸单元视为多功能积木,可以组装成具有不同机械性能的更大结构,”尹教授表示,“更重要的是,更大的结构也可以拆卸,允许用户将剪纸单元重新组装成新的结构。”

为了证明这一概念的实用性,研究人员创建了十多个可重新配置的构建块。每个块由八个相连的纸立方体组成,可以重新配置成八种不同的形状。视频重点介绍了每个单元可以重新配置成不同结构的方式,这些结构如何组装成更大的结构,以及组装好的大型结构如何分解回可重新配置的块。

研究人员设计出3D剪纸积木来制造动态超材料 可做出30万种不同设计

图源Yin Lab@NCSU发布的演示视频

根据每个块中实心立方体壁和开放边的方向,以及每个块在较大结构中的位置,该结构的行为会有所不同。这允许用户调整每个构建块的机械特性。例如,单个积木可以折叠成易于压缩的结构,或重新折叠成能够承受大量载荷的不同形状。

“事实上,您可以拆卸和重新配置这些3D超材料,这使用户可以根据需要改变结构的机械性能,以执行不同的任务,”尹教授表示,“以一种方式折叠以使其易于压缩,以另一种方式折叠以允许横向移动,以第三种方式折叠以使其坚固或增强其体力-等等。

这项工作的重点是展示基本概念。尹教授表示,研究团队的下一步是演示该概念的应用。

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