Инженеры MIT используют киригами для создания сверхпрочных и легких конструкций

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса новостей MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике в соответствии с некоммерческой лицензией Creative Commons «С указанием авторства». Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если оно не указано ниже, укажите авторство изображений в «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

Ячеистые твердые тела — это материалы, состоящие из множества ячеек, упакованных вместе, например соты. Форма этих ячеек во многом определяет механические свойства материала, включая его жесткость и прочность. Кости, например, наполнены натуральным материалом, который делает их легкими, но жесткими и прочными.

Вдохновленные костями и другими клеточными твёрдыми телами, встречающимися в природе, люди использовали ту же концепцию для разработки строительных материалов. Изменяя геометрию элементарных ячеек, из которых состоят эти материалы, исследователи могут настроить механические, термические или акустические свойства материала. Архитектурные материалы используются во многих сферах: от амортизирующего упаковочного пенопласта до радиаторов теплорегулирования.

Используя киригами, древнее японское искусство складывания и резки бумаги, исследователи Массачусетского технологического института теперь изготовили высокопроизводительный материал, известный как пластинчатая решетка, в гораздо больших масштабах, чем ученые ранее могли достичь с помощью аддитивного производства. Эта техника 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», — говорит профессор Нил Гершенфельд, руководитель Центра битов и атомов (CBA) Массачусетского технологического института и старший автор новой статьи об этом подходе.

Исследователи разработали модульный процесс строительства, в котором множество более мелких компонентов формируются, складываются и собираются в трехмерные формы. Используя этот метод, они изготовили сверхлегкие и сверхпрочные конструкции и роботов, которые под заданной нагрузкой могут трансформироваться и сохранять свою форму.

Поскольку эти конструкции легкие, но прочные, жесткие и их относительно легко производить массово в больших масштабах, они могут быть особенно полезны в архитектурных, самолетных, автомобильных или аэрокосмических компонентах.

К Гершенфельду в работе над статьей присоединяются соавторы Альфонсо Парра Рубио, научный сотрудник CBA, и Клара Мундилова, аспирантка Массачусетского технологического института в области электротехники и информатики; вместе с Дэвидом Прейссом, аспирантом CBA; и Эрик Д. Демейн, профессор информатики Массачусетского технологического института. Исследование будет представлено на конференции ASME «Компьютеры и информация в инженерии».

Изготовление методом складывания

Архитектурные материалы, такие как решетки, часто используются в качестве основы для 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 решетка обладает высокой жесткостью и прочностью, но при этом очень легкая.

Пластинчатые решетки представляют собой ячеистые конструкции, состоящие из трехмерных пересечений пластин, а не балок. Эти высокопроизводительные конструкции даже прочнее и жестче, чем ферменные решетки, но их сложная форма затрудняет их изготовление с использованием обычных методов, таких как 3D-печать, особенно для крупномасштабных инженерных приложений.

Исследователи Массачусетского технологического института преодолели эти производственные проблемы, используя киригами — технику создания трехмерных фигур путем складывания и разрезания бумаги, история которой восходит к японским художникам VII века.

Киригами использовался для изготовления пластинчатых решеток из частично сложенных зигзагообразных складок. Но чтобы сделать сэндвич-конструкцию, нужно прикрепить плоские пластины сверху и снизу этого гофрированного сердечника к узким точкам, образованным зигзагообразными складками. Для этого часто требуются сильные клеи или методы сварки, которые могут сделать сборку медленной, дорогостоящей и сложной для масштабирования.