新的Kirigami（折叠纸）设计支持其自身重量的14,000倍

时间：2022-03-25 12:25:05 来源：

王欣宇在兰德尔·卡米恩（Randall Kamien）的实验室工作时制作的负重折纸结构的特写视图。每个凸起的三角形平台均由相邻的翼板（以蓝色轮廓显示）支撑，这些翼板可一起使用以将结构固定在适当位置，而无需胶带或粘合剂。

一组研究人员发现，利用折纸启发的剪纸和折叠艺术，可以用轻质柔软的材料创建超坚固的模型，而无需粘合剂或紧固件。

日本的折纸艺术（从折纸，折叠纸和香美纸开始）将平板纸转变成复杂的雕塑。变体包括kirigami（从kiri到cut），origami是一种折纸版本，允许使用胶带或胶水切割和重新连接材料。但是，尽管两种艺术形式都是科学，建筑和设计思想的源泉，但每种形式都有其根本的局限性。折纸所需的平折会导致整体结构无法解锁，而由于粘合剂的缘故，kirigami作品无法展开回其原始的展平状态。

“这里是不需要胶带的结构，它有切口，而且非常坚固。突然，我们有了一个我们根本没想到的系统。”—兰德尔·卡米恩（Randall Kamien）

研究人员从这两种艺术形式中汲取灵感，描述了一组新主题，这些主题使用柔软的材料制成了轻巧，坚固且可折叠的结构。这些kirigami结构可以承受14,000倍的重量，并且由于不需要粘合剂或紧固件，因此可以轻松地展平和重新折叠。这项工作是在2020年1月21日的 Physical Review X上发表的，由来访的研究生王新宇和宾夕法尼亚大学的Randall Kamien教授与剑桥大学的Simon Guest合作完成。

王博士东南大学的一名学生对折纸和折纸结构的机械特性感兴趣，并与Kamien展开了新的合作。Wang于2018年9月到达Kamien实验室后，Kamien要求她使用他的小组探索激进折纸结构的规则尝试一些新设计。

Wang和Kamien实验室收集了他们在整个物理部门都能找到的最大的书籍。他们发现，一张重磅纸可以支持五磅重的“引力”教科书的七个副本。

此后不久，Wang向Kamien展示了Kamien的一种新设计，用于倾斜壁的奇瑞格三角形。最初，Kamien惊讶地发现Wang将切口上多余的皮瓣留在原地。Kamien说：“通常的kirigami路线是将其切断并用胶带粘贴。”Wang“发现，在这种特殊的几何形状中，您可以使襟翼变得合适。”

尽管单个三角形本身并不是特别坚固，但研究人员注意到，当多个三角形以重复设计排列时，它们可以承受的力比预期的要大得多。卡米恩说：“这里是不需要胶带的结构，它可以切割，而且非常坚固。”“突然之间，我们有了一个我们根本没有想到的系统。”

为了弄清楚这种几何形状如何具有弹性，Wang制造了几种不同的“软”材料版本，包括纸，铜和塑料。她还制作了一些版本，这些版本的裁切后的封口带被粘贴，切割或损坏。科学家使用物质结构研究实验室的工业级拉伸和压缩测试设备，发现几何结构可以支撑自身重量的14,000倍。当襟翼未损坏和未打开时，倾斜的三角形设计最坚固，并且比带有垂直壁的相同设计更坚固。

在Guest的帮助下，研究人员意识到与小组典型的krigami规则的两个差异是该结构强度的关键。当三角形的壁倾斜时，施加到顶部的任何力都可以转换为设计中心内的水平压缩。Kamien说：“对于垂直方向的纸张，无法将向下的力转变为侧向力而不弯曲纸张。”他们还发现，将切下的折页留在原处，纸与纸之间的重叠使三角形可以向上压向相邻的三角形，这有助于分配垂直载荷。

本文是如何将kirigami用作科学家和工程师的“工具”的又一个示例，这次是使用软材料创建坚固的刚性物体。Wang说：“我们分摊了如何使用可以弯曲和拉伸的材料，实际上我们可以增强这些材料。”一种可能的应用可能是制造便宜，轻便且可展开的结构，例如坚固耐用的临时避难所帐篷，但也易于组装和拆卸。