麻省理工学院工程师利用日本剪纸工艺制作出超强轻质结构
麻省理工学院工程师利用日本剪纸工艺制作出超强轻质结构麻省理工学院的研究人员利用日本的剪纸和折纸艺术-Kirigami，开发出了具有可调机械性能（如刚度和柔度）的超强轻质材料。这些材料可用于飞机、汽车或航天器。图片来源：研究人员提供麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸折痕图案，使波纹结构的尖点变成了刻面。这些刻面就像钻石上的刻面一样，提供了平坦的表面，可以用螺栓或铆钉更方便地将板材固定在上面。图片来源：研究人员提供麻省理工学院的研究人员利用日本古老的折纸和剪纸艺术-Kirigami，制造出了一种名为"板格"的高性能结构材料，其规模远远超过了科学家们之前通过添加剂制造所能实现的规模。这项技术使他们能够用金属或其他材料制造出具有定制形状和特别定制机械性能的这些结构。"这种材料就像钢软木。它比软木轻，但具有高强度和高刚度，"麻省理工学院比特与原子中心（CBA）负责人尼尔-格申菲尔德（NeilGershenfeld）教授说，他是有关这种方法的一篇新论文的资深作者。研究人员开发了一种模块化制造工艺，在这种工艺中，许多较小的部件被成型、折叠并组装成三维形状。利用这种方法，他们制造出了超轻、超强的结构和机器人，在特定载荷下，它们可以变形并保持形状。研究人员通过在顺应面上张紧钢丝，然后将其连接到滑轮和电机系统，从而驱动波纹结构，使其能够向任一方向弯曲。图片来源：研究人员提供由于这些结构重量轻、强度高、刚度大，而且相对容易大规模生产，因此在建筑、飞机、汽车或航空航天部件中特别有用。与格申菲尔德一起撰写论文的还有共同第一作者、CBA研究助理阿方索-帕拉-鲁比奥（AlfonsoParraRubio）和麻省理工学院电气工程与计算机科学研究生克拉拉-蒙迪洛娃（KlaraMundilova），以及CBA研究生大卫-普雷斯（DavidPreiss）和麻省理工学院计算机科学教授埃里克-德梅因（ErikD.Demaine）。该研究成果在美国机械工程师学会工程计算机与信息大会上发表。像晶格这样的结构材料经常被用作一种复合材料的核心，这种复合材料被称为三明治结构。要设想夹层结构，可以想象一下飞机机翼，在机翼上，一系列相交的对角梁构成了夹在顶部和底部面板之间的网格核心。这种桁架结构具有很高的刚度和强度，但重量却很轻。板格是由板而不是梁的三维交叉组成的蜂窝结构。这些高性能结构的强度和刚度甚至超过了桁架晶格，但由于其形状复杂，使用3D打印等普通技术制造它们具有挑战性，尤其是在大规模工程应用中。麻省理工学院的研究人员利用桐纸克服了这些制造难题，桐纸是一种通过折叠和切割纸张来制作3D形状的技术，其历史可追溯到7世纪的日本艺术家。研究人员利用他们的方法制造出了压缩强度超过62千牛顿的铝结构，但每平方米的重量仅为90千克。图片来源：研究人员提供Kirigami已被用于利用部分折叠的之字形折痕制作板格。但要制作夹层结构，必须将平板连接到波纹芯材的顶部和底部，再连接到人字形折痕形成的窄点上。这通常需要强力粘合剂或焊接技术，从而导致组装速度慢、成本高，而且难以扩大规模。麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸折痕图案，使波纹结构的尖点变成了刻面。这些刻面就像钻石上的刻面一样，提供了平整的表面，可以用螺栓或铆钉更方便地将板块固定在上面。ParraRubio说："在重量和内部结构保持不变的情况下，板晶格在强度和刚度方面优于梁晶格。通过使用双光子光刻技术进行纳米级生产，理论刚度和强度已达到H-S上限。板晶格的构建非常困难，因此在宏观尺度上的研究很少。我们认为，折叠是一条更容易利用金属制成的这种板状结构的途径。"此外，研究人员设计、折叠和切割图案的方式使他们能够调整某些机械性能，如刚度、强度和弯曲模量（材料的抗弯倾向）。他们将这些信息以及三维形状编码成折痕图，用来创建这些叽里纸波纹。例如，根据褶皱的设计方式，可以对一些细胞进行塑形，使其在压缩时保持形状，而对另一些细胞进行修改，使其弯曲。通过这种方式，研究人员可以精确控制结构的不同区域在压缩时的变形情况。由于可以控制结构的灵活性，这些波纹可用于机器人或其他具有移动、扭曲和弯曲部件的动态应用中。为了制作像机器人这样的大型结构，研究人员采用了模块化组装工艺。他们批量生产较小的折痕图案，并将其组装成超轻、超强的三维结构。较小的结构具有较少的折痕，从而简化了制造过程。研究人员利用经过改良的三浦织图案，创造出一种能产生所需形状和结构特性的折痕图案。然后，他们利用一台独特的机器--Zund切割台--切割出平整的金属板，并将其折叠成三维形状。"要制造汽车和飞机等产品，需要在模具上投入巨资。这种制造工艺不需要工具，就像3D打印一样。但与3D打印不同的是，我们的工艺可以设定记录材料特性的极限，"格申菲尔德说。利用他们的方法，他们制造出的铝结构压缩强度超过62千牛顿，但每平方米重量仅为90千克。(软木每平方米重约100千克）他们的结构非常坚固，可以承受的力是普通铝波纹的三倍。这种多用途技术可用于钢材和复合材料等多种材料，因此非常适合生产飞机、汽车或航天器的轻质减震部件。不过，研究人员发现，他们的方法可能难以建模。因此，他们计划在未来为这些叽里格米板格结构开发用户友好的CAD设计工具。此外，他们还希望探索各种方法，以降低模拟设计所需性能的计算成本。帕拉-卢比奥、蒙迪洛娃和其他麻省理工学院的研究生还利用这种技术用铝复合材料制作了三件大型折叠艺术品，并在麻省理工学院媒体实验室展出。尽管每件作品都长达数米，但这些结构的制作只用了几个小时。"归根结底，艺术作品之所以成为可能，是因为我们在论文中展示了数学和工程方面的贡献。但我们也不想忽视我们作品的美学力量，"ParraRubio说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1384883.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1384883.htm
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