古老的折纸和折纸艺术为机械超材料研发带来灵感

摘要:

近年来,古老的折纸艺术和剪纸艺术在构建机械超材料的研究人员中获得了青睐。折叠和切割二维薄膜材料将它们转化为复杂的三维结构和形状具有独特和可编程的机械性能。在AIP出版的《Applied Physics Reviews》中,美国和中国的研究人员根据两个不同的标准将基于折纸和剪纸的机械超材料即具有不寻常机械性能的人工工程材料分为六组。

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“折纸和剪纸在本质上是机械超材料,因为它们的特性主要由折痕图案和/或切割的方式决定,只是稍微取决于折叠折纸或剪纸的材料,”研究论文作者Hangqing Jiang说道。

研究人员将机械超材料分为三类,包括基于折纸的超材料(仅折叠)、基于剪纸的超材料(仅切割)、基于折纸-剪纸混合的超材料(既折叠又切割)。特别是混合型折纸-折纸超材料,在形状变形方面有很大的潜力。

根据弹性能量景观,每组材料都被细分为刚性或可变形类别。如果能量只储存在折痕或连接处,则超材料被归为刚性材料。如果能量同时储存在折痕或连接处和面板上,则超材料被归入可变形类别。

研究人员希望发现新的折纸和剪纸设计,特别是弯曲的折纸设计、混合折纸-剪纸设计、模块化设计和层次化设计。

他们计划把重点放在为基于折纸和剪纸的机械超材料选择新材料上。传统上,纸被用来做超材料的原型,但基于纸的脆弱性和可塑性存在一定的限制。要为现实世界的应用进行设计,探索具有不同性质的材料将是有帮助的,如薄或厚、软或硬、弹性或塑料。

研究人员希望将能量景观和能量分布作为两个强有力的工具来分析折纸和剪纸的机械性能,另外还将寻求精心设计基于折纸和剪纸的机械超材料的驱动方法。

Jiang表示:“基于折纸和剪纸的机械超材料可以应用于许多领域,包括柔性电子、医疗设备、机器人、土木工程和航空航天工程。”

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