Origami – Japon katlanır kağıt sanatı – yenilikçi materyallerde bir sonraki sınır olabilir. 1600’lerin başından beri Japonya’da uygulanan Origami, karmaşık tasarımlar oluşturmak için basit katlama tekniklerini birleştirmeyi içerir. Şimdi, Georgia Tech araştırmacıları, hem sağlam hem de öngörülebilir şekilde deforme olmuş, sağ kuvvetlerin altında “katlanır” olabilen yeni nesil materyallerin temeli olarak tekniği kullanıyorlar. Araştırma, kalp stentlerinden uçak kanatlarına ve koşu ayakkabılarına kadar her şeyde yeniliklere yol açabilir.
Yakın zamanda yayınlandı Doğa İletişimi“Trapezoid bazlı origami metamateryallerinin izometrilerini karakterize etmek için kaba taneli temel formlar” çalışması, şu anda Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı’nda NRC Araştırma Görevlisi olan ilk yazar James McInerney tarafından yönetildi.
Michigan Üniversitesi’nde doktora sonrası bir öğrenci sırasında araştırmayı tamamlayan McInerney, daha önce çalışma ortak yazarı Zeb Rocklin grubunda Georgia Tech’de doktora öğrencisiydi. Ekip ayrıca Princeton Üniversitesi, Michigan Üniversitesi ve Trento Üniversitesi’nden araştırmacılar içerir.
McInerney, “Origami, yapıları dağıtma veya dönüştürme yeteneği nedeniyle son on yılda çok dikkat çekti.” “Ekibimiz, farklı kuvvetler ve basınçlar uygulandığında bir malzemenin nasıl deforme olduğunu kontrol etmek için farklı türde kıvrım türlerinin nasıl kullanılabileceğini merak etti” – kırışmış bir karton parçası gibi, kırışıklıklar olmadan çökebilecek olandan daha tahmin edilebilir bir şekilde katlanır.
Bu tür kontrolün uygulamaları çok geniş. McInerney, “Binaların, uçakların ve deniz gemilerinin tasarımından, yük taşıma yeteneklerini artırmak ve toplam ağırlığı artırmak arasında bir değiş tokuş olma eğiliminde olan malların ambalajına ve nakliyesine kadar çeşitli senaryolar var.” “Nihai hedefimiz, ağırlık eklemeden origami’den ilham alan kırışıklıklar ekleyerek yük taşıyan tasarımları geliştirmektir.”
Rocklin, zorluk, hangi kırışıklıkların kullanılacağını ve en iyi sonuçları ne zaman elde edileceğini tahmin edilebilir bir şekilde modellemenin bir yolunu bulmak için fizik kullanıyor.
Deforme Katılar
Georgia Tech Fizik Okulu’nda teorik bir fizikçi ve doçent olan Rocklin, bu tür malzemelerin karmaşık doğasını vurgulamaktadır. “Bir kağıdın her iki ucuna da çekilirsem, sağlamdır – ayrılmaz,” diye açıklıyor. “Ama aynı zamanda esnek – onu nasıl hareket ettirdiğime bağlı olarak çökebilir ve dalgalanabilir. Bu, geleneksel bir katı ve çok yararlı olandan görebileceğimizden çok farklı bir davranış.”
Ancak esnek katılar benzersiz bir şekilde yararlı olsa da, karakterize edilmesi de çok zor. “Bu malzemelerle, ne olacağını tahmin etmek genellikle zordur – malzemenin basınç altında nasıl deforme olacağı, çünkü birçok farklı şekilde deforme olabilir. Geleneksel fizik teknikleri bu tür problemi çözemez, bu yüzden hala 21. yüzyılda yapıları karakterize etmenin yeni yolları buluyoruz.”
Origami’den ilham alan malzemeler düşünülürken, fizikçiler belirli bir üç boyutlu şekil oluşturmak için dikkatlice kırılmış olan düz bir tabaka ile başlar; Bu kıvrımlar malzemenin nasıl davrandığını belirler. Ancak yöntem sınırlıdır: sadece kareler ve dikdörtgenler gibi şekiller kullanan paralelkenar tabanlı origami katlanması daha önce modellenmiş ve sınırlı deformasyon türlerine izin vermişti.
McInerney, “Hedefimiz bu araştırmaya yamuk yüzleri içerecek şekilde genişlemekti.” Diyor. Paralelkenarların iki set paralel tarafı vardır, ancak trapezoidlerin sadece bir set paralel tarafı olması gerekir. Bu daha değişken şekillerin tanıtılması, bu tür kırışmayı modellemeyi zorlaştırır, ancak potansiyel olarak daha çok yönlü hale getirir.
Nefes alma ve kesme
“Modellerimizden ve fiziksel testlerimizden trapezoid yüzlerin tamamen farklı bir yanıt sınıfına sahip olduğunu bulduk.” Başka bir deyişle – trapezoidlerin kullanılması yeni davranışlara yol açar.
Tasarımlar, şekillerini iki farklı şekilde değiştirme yeteneğine sahipti: eşit olarak genişleyerek ve kasılarak “nefes alma” ve bir bükülme hareketinde deforme ederek “kesme”. McInerney, “Origami’deki trapezoid yüzleri, sistemin paralelkenar yüzlerinden farklı işlevsellik sağlayan belirli yönlerde bükülmesini kısıtlamak için kullanabileceğimizi öğrendik.”
Şaşırtıcı bir şekilde, ekip ayrıca paralelkenar tabanlı origami’deki bazı davranışların trapezoidal origami’lerine taşındığını ve tasarımlar arasında evrensel olabilecek bazı özelliklere işaret ettiğini buldu.
Rocklin, “Araştırmamız teorik olsa da, bu içgörüler bize bu yapıları nasıl kullanabileceğimiz ve bunları kullanabileceğimiz konusunda daha fazla fırsat verebilir.”
Gelecek katlama
“Hala yapacak çok işimiz var,” diyor McInerney, takip edilecek iki ayrı araştırma yolu olduğunu paylaşıyor. “Birincisi trapezoidlerden daha genel dörtgen yüzlere geçmek ve maddi davranışın etkili bir modelini geliştirmeye çalışmak – bu çalışmanın paralelkenarlardan trapezoidlere geçme şekline benzer.”
Bu yeni modeller, kırılmış malzemelerin farklı koşullar altında nasıl deforme olabileceğini tahmin etmeye yardımcı olabilir ve araştırmacıların bu sonuçları herhangi bir kırışıklık olmadan levhalarla karşılaştırmasına yardımcı olabilir. “Bu aslında tasarımlarımızın sağladığı gelişmeyi değerlendirmemize izin verecek” diye açıklıyor.
“İkinci cadde, tasarımlarımızın gerçek bir sisteme nasıl entegre olabileceğini derinlemesine düşünmeye başlamaktır.” Diyerek şöyle devam etti: “Bu, modellerimizin yükleme koşullarından veya imalat sürecinden kaynaklanıyor, ayrıca etkili üretim ve test protokolleri oluşturulmasının yanı sıra nerede bozulmaya başladığını anlamayı gerektiriyor.”
Rocklin, “Bu çok zorlu bir sorun, ancak biyoloji ve doğa, gerektiğinde belirli, yararlı yollarla deforme olan kendi bedenlerimiz de dahil olmak üzere akıllı katılarla doludur.” Diyor. “Origami ile çoğaltmaya çalıştığımız şey bu.”
