“kirigami削减” - 日本艺术形式激发了新的工程技术

剪纸艺术主题

新的研究允许每个Kirigami主题弯曲成多种形状。信誉:西北大学

“Kirigami切割”可以用来制作3D微结构和纳米工具。

纸质雪花、立体儿童读物和精致的纸质卡片不仅仅是手工艺人感兴趣的东西。一个团队的西北大学工程师们从折纸的实践中汲取灵感,创造出一种复杂的3D打印替代方案。

Kirigami源自日语单词“kiru”(切割)和“kami”(纸),是一种将纸精确切割并转化为3D物体的传统艺术形式。通过使用薄膜材料和软件来选择精确的几何切割,工程师们可以从实践中获得灵感,创造出各种各样的复杂结构。

已发布于2015年的研究,在Kirigami“弹出”制作模型中显示了承诺。在这种迭代中,由切口产生的状状结构是开放的形状,具有有限的实现闭合形状的能力。同样灵感上的其他研究建筑主要展示了Kirigami可以用纸张的简单材料应用于Macroscale。

但是在2020年12月22日发表在杂志上的一项新研究先进材料将这一过程进一步推进。

McCormick工程学院机械工程教授Horacio Espinosa表示,他的团队能够将设计和Kirigami的概念应用于纳米结构。Espinosa领导了这项研究,是制造业和企业家的詹姆斯N.和Nancy J. Farley教授。

“通过结合纳米制造、原位显微镜实验和计算模型,我们揭示了kirigami结构的丰富行为,并确定了它们在实际应用中的条件,”Espinosa说。

研究人员首先在半导体制造中使用最先进的方法创建2D结构,并在超薄薄膜上小心地放置“基伐木切”。薄膜中残余应力引起的结构不稳定性,然后产生明确定义的3D结构。工程化的Kirigami结构可以在许多应用中采用,该应用范围从微米夹持器(例如细胞拣选)到空间光调制器以在飞机翼中流动控制。这些能力定位了生物医学设备,能量收集和航空航天中的潜在应用的技术。

通常,一个kirigami主题所能创造的形状数量是有限的。但是通过使用不同的切割方式,该团队能够展示出薄膜弯曲和扭曲的结果,从而产生更广泛的形状——包括对称和不对称的形状。研究人员首次证明,使用几十纳米薄膜厚度的微尺度结构,可以实现不同寻常的3D形状,并呈现更广泛的功能。

例如,静电微型缠结符快速关闭,这可能是柔软样品的苛刻。相比之下,基于Kirigami的镊子可以通过调整拉伸量来精确设计以精确地控制抓取力。在此和其他应用程序中,设计切割位置和基于计算机模拟的结构行为的能力取出了试验和错误,节省了过程中的金钱和时间。

埃斯皮诺萨说,随着研究的进展,他的团队计划探索kirigami设计的大空间,包括阵列配置,以实现更多的可能功能。未来研究的另一个领域是用于kirigami部署和控制的分布式执行器的嵌入。通过进一步研究这项技术,研究小组认为kirigami可以在建筑、航空航天和环境工程方面发挥作用。

参考:“Kirigami工程 - 纳米级结构,展示了一系列可控3D配置”,徐张,LiR麦地那,Haogang Cai,Vladimir Akyuk,Horacio D. Espinosa和Daniel Lopez,12月22日,先进材料
DOI:10.1002 / ADMA.202005275

本文,“Kirigami Engineering:展示一系列可控配置的纳米级结构”,由美国能源部(合同号DE-AC02-06CH11357)支持。宾夕法尼亚州的合作者是埃斯皮奥萨和大卫洛佩兹。

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