Harvard-Forscher erstellen mit Kirigami programmierbare Metamaterialien

• Das neue Framework kann Kirigami-Oberflächen so programmieren, dass sie in die Softrobotik integriert werden können.
• Die Technik öffnet neue Türen für die Gestaltung intelligenter Softskins mit multimodalen Funktionalitäten.

Kirigami ist eine japanische Kunst des Papierschneidens, bei der das Papier gefaltet und anschließend gekonnt in die gewünschte Form geschnitten wird. Das fertige Kirigami wird durch Auffalten des Papiers betrachtet. Einfache Kirigami sind meist symmetrisch, wie Pentagramme oder Schneeflocken.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler diese Kunst genutzt, um Quadrate in Kreise zu verwandeln, 2D-Formen in 3D-Formen zu verwandeln und sogar einen von Schlangen inspirierten Roboter zu entwickeln. Dies ist erst der Anfang:Diese Technik kann in naher Zukunft eine Vielzahl von Anwendungen haben.

Vor kurzem haben Forscher der Harvard University ein Framework entwickelt, um Kirigami-Oberflächen so zu programmieren, dass diese Strukturen für tragbare Geräte, dehnbare Elektronik, formverändernde Roboter und mehr verwendet werden können.

Erhöhte Funktionalität von Kirigami-Materialien

Kirigami-Metamaterialien können leicht geschnitten und beim Strecken in eine komplexe dreidimensionale Konfiguration umgewandelt werden. Die Einführung einer Hierarchie in Kirigami-Strukturen verbessert ihre Funktionalitäten weiter, da sie eine größere Dehnbarkeit und eine breitere Einstellbarkeit von Bandlücken ermöglicht.

Bisher konzentrierten sich Studien zu hierarchischen Kirigami-Metamaterialien auf die Deformation dicker Bleche in der Ebene. In dieser Arbeit haben Forscher dünne hierarchische Kirigami-Blätter und ihr Knickverhalten außerhalb der Ebene untersucht.

Referenz:Fortschrittliche Funktionsmaterialien | DOI:10.1002/adfm.201906711 | Harvard-Universität

Sie verwendeten Laserschneiden, um das Blatt in eine Reihe von quadratischen Schachteln zu unterteilen. Dann unterteilten sie diese Kästen mit einer anderen Schnittebene in kleinere Quadrate.

Sowohl die erste als auch die zweite Schnittebene reagieren (die zweite Schnittebene fügt umfangreichere Sets von Reaktionen hinzu), wenn das Metamaterial gestreckt wird.

Das Forschungsteam entdeckte, dass es möglich ist, mechanische Metamaterialien zu programmieren, indem man die Dicke der Bleche und die Breite der Schnitte auf jeder Ebene sorgfältig auswählt.

Um zu demonstrieren, was sie erreicht haben, haben sie diese programmierbaren hierarchischen Kirigami-Blätter gedehnt, um eine Nachricht mit der Aufschrift „I Love HU“ anzuzeigen und bestimmte Formen wie einen Weihnachtsbaum zu enthüllen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, wenn zwei oder mehr hierarchische Muster miteinander vermischt werden, um eine heterogene Oberfläche zu bilden, können Forscher die mechanische Reaktion weiter konfigurieren und Daten in die angewendete mechanische Verformung verschlüsseln und durch diese auslesen.

Wie geht es weiter?

Die in dieser Studie entwickelte Technik trägt zum Gebiet der morphologischen Berechnungen und programmierbaren Metamaterialien bei. Es öffnet auch neue Türen für die Gestaltung intelligenter Softskins mit multimodalen Funktionalitäten.

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Durch die verbesserte Kontrolle der mechanischen Eigenschaften des Materials ist es möglich, hierarchische Kirigami-Oberflächen in Soft-Robotik zu integrieren, um intelligente Displays, taktile Sensoren oder Skins zu bauen, die das Reibungsniveau je nach Umgebung ändern.