細胞固體是由許多單元格組成的材料，這些單元格被緊密地堆疊在一起，如蜂窩狀結構。這些單元格的形狀在很大程度上決定了材料的機械特性，包括其剛度和強度。例如，骨骼中充滿了一種天然材料，使它們既輕巧又堅硬強韌。
受到自然界中的骨骼和其他細胞固體的啟發(fā)，人類利用了相同的概念來開發(fā)構建材料。通過改變構成這些材料的單元格的幾何形狀，研究人員可以定制材料的機械、熱學或聲學特性。構建材料被廣泛應用于眾多領域，從吸震的包裝泡沫到調(diào)溫的散熱器。
現(xiàn)在，麻省理工學院的研究人員利用日本古老的折疊切割紙藝術“kirigami”，制造了一種高性能的構建材料，稱為板格子結構，而且這一方法的制造尺度遠大于以前通過添加制造能夠?qū)崿F(xiàn)的規(guī)模。這一技術使他們能夠使用金屬或其他材料創(chuàng)建具有自定義形狀和特定機械特性的結構。
該研究的資深作者，麻省理工學院中心（CBA）主任Neil Gershenfeld教授表示："這種材料就像鋼軟木。它比軟木輕，但具有高強度和高剛度。" 研究人員開發(fā)了一種模塊化的構造過程，其中許多較小的組件被形成、折疊并組裝成3D形狀。使用這種方法，他們制造了超輕和超強的結構和機器人，在特定載荷下，這些結構能夠變形并保持形狀。
由于這些結構輕巧且強韌，而且在較大尺度上相對容易進行大規(guī)模生產(chǎn)，因此它們在建筑、飛機、汽車或航空航天組件等領域可能特別有用。
除了Gershenfeld教授，還有本研究的首席作者Alfonso Parra Rubio（CBA研究助理）、Klara Mundilova（麻省理工學院電氣工程與計算機科學研究生）等人，以及麻省理工學院計算機科學教授Erik D. Demaine。該研究成果將在美國機械工程師學會（ASME）的“計算機與工程信息會議”上進行展示。
通過折疊進行制造
構建材料，比如格子結構，通常被用作一種名為“夾心結構”的復合材料的內(nèi)核。想象一下夾心結構，可以想象一架飛機的機翼，其中一系列相交的對角橫梁形成一個夾在上下面板之間的格子內(nèi)核。這種桁架格子具有很高的剛度和強度，但非常輕巧。
板格子是由板材三維交叉組成的細胞結構，而不是橫梁。這些高性能結構甚至比桁架格子更加堅固和剛硬，但它們復雜的形狀使得在常見的制造技術（如3D打印）下制造它們變得困難，尤其是在大規(guī)模工程應用中。
麻省理工學院的研究人員利用切紙技術克服了這些制造難題，切紙是一種通過折疊和切割紙張制造3D形狀的技術，可以追溯到公元7世紀的日本藝術家。
?“Kirigami”已被用于通過部分折疊的鋸齒形褶皺制造板狀格子。但要制作夾心結構，必須將平板連接到鋸齒形褶皺形成的狹窄點上，這通常需要強力的膠粘劑或焊接技術，這可能使組裝變得緩慢、昂貴且難以擴展。
麻省理工學院的研究人員修改了一種常見的折紙褶痕圖案，稱為Miura-ori圖案，使褶皺結構的尖點變成了平面。就像鉆石上的切面一樣，這些切面為平板提供了更容易連接的平面，可以使用螺栓或鉚釘連接。
“在保持相同重量和內(nèi)部結構的情況下，板格子在強度和剛度方面優(yōu)于橫梁格子，”Parra Rubio說道。“通過使用雙光子光刻技術在納米尺度上生產(chǎn)，已經(jīng)證明實現(xiàn)了理論剛度和強度的H-S上限。由于板格子的制造一直非常困難，目前在宏觀尺度上的研究非常少。我們認為折疊是一條從金屬制成的這種板狀結構更易于利用的途徑。”
可定制的性能
此外，研究人員設計、折疊和切割圖案的方式使他們能夠調(diào)整特定的機械性能，例如剛度、強度和彎曲模量（材料抵抗彎曲的傾向）。他們將這些信息以及3D形狀編碼到褶皺圖中，用于創(chuàng)建這些切紙褶皺。
例如，根據(jù)褶皺的設計方式，一些單元格可以被形狀化，使它們在被壓縮時保持形狀，而其他單元格可以被修改以便彎曲。通過這種方式，研究人員可以精確控制結構不同區(qū)域在被壓縮時的變形情況。
由于結構的靈活性可控，這些褶皺可以用于機器人或其他具有移動、扭曲和彎曲部件的動態(tài)應用。
為了制作像機器人這樣的較大結構，研究人員引入了模塊化的組裝過程。他們大規(guī)模生產(chǎn)較小的折疊圖案，并將它們組裝成超輕和超強的3D結構。較小的結構較少的折疊，簡化了制造過程。
利用改良后的Miura-ori圖案，研究人員創(chuàng)建了一個能夠產(chǎn)生所需形狀和結構特性的褶皺圖案。然后，他們使用一臺名為Zund切割臺的獨特機器，對平面金屬板進行刻痕，將其折疊成3D形狀。
Gershenfeld教授表示："制造汽車和飛機等產(chǎn)品時，需要大量的工具。這種制造過程沒有工具，類似于3D打印。但與3D打印不同的是，我們的過程可以設定記錄材料性能的極限。"
使用他們的方法，他們制造了壓縮強度超過62千牛頓，但每平方米只有90公斤重量的鋁制結構（軟木的重量約為每平方米100公斤）。他們的結構如此強大，可以承受比典型的鋁制褶皺多三倍的力量。
這種多功能技術可以應用于許多材料，如鋼材和復合材料，非常適用于制造輕量級、吸震的飛機、汽車或航天器零部件。
然而，研究人員發(fā)現(xiàn)他們的方法很難建模。因此，未來他們計劃為這些切紙板狀格子結構開發(fā)用戶友好的CAD設計工具。此外，他們還希望探索降低模擬設計的計算成本的方法，以獲得所需的性能。
"切紙褶皺為建筑構造帶來了令人興奮的潛力，"James Coleman MArch '14說道，他是設計制造和安裝公司SumPoint的聯(lián)合創(chuàng)始人，也曾是Zahner的創(chuàng)新與研發(fā)副總裁，與此工作無關。他表示："根據(jù)我在復雜建筑項目中的經(jīng)驗，目前用于構建大規(guī)模曲線和雙曲面元件的方法需要大量材料，造成浪費，因此在大多數(shù)項目中被認為不切實際。雖然作者的技術為航空航天和汽車工業(yè)提供了新穎的解決方案，但我認為他們基于單元格的方法也可以顯著影響建筑環(huán)境。能夠制造具有特定性能的各種板狀格子結構，可能會實現(xiàn)性能更高、表現(xiàn)更豐富的建筑，且材料消耗更少。告別沉重的鋼鐵和混凝土結構，迎來輕量級格子結構！"
此外，Parra Rubio、Mundilova和其他麻省理工學院的研究生還使用這種技術創(chuàng)建了三幅大規(guī)模的鋁復合材料折疊藝術品，這些作品正在麻省理工學院媒體實驗室展出。盡管每幅藝術品的長度都有幾米，但這些結構只需要幾個小時就可以制作完成。
"在一天結束時，藝術作品之所以可能，是因為我們在論文中展示的數(shù)學和工程貢獻。但我們不想忽視我們工作的審美力量，"Parra Rubio說道。
精選文章：