Dans une preuve de concept, les chercheurs ont créé plus d’une douzaine de blocs de construction reconfigurables. Chaque bloc se composait de huit cubes de papier connectés et pouvait être reconfiguré en huit formes différentes. Ces blocs servent d’unités de base pour construire une variété de structures complexes, comme celle illustrée ici. Crédit : Jie Yin, NC State University
Une nouvelle approche de la production de métamatériaux s’appuie sur les techniques du kirigami pour créer des blocs de construction tridimensionnels et reconfigurables pouvant être utilisés pour créer des structures complexes et dynamiques. Parce que l’approche de conception est modulaire, ces structures sont faciles à assembler et à démonter.
“L’application du kirigami à des matériaux tridimensionnels offre un nouveau niveau de reconfigurabilité pour ces structures”, déclare Jie Yin, auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à Université d’État de Caroline du Nord.
Les chercheurs sont optimistes quant au fait que ces métamatériaux 3D pourraient être utilisés dans des applications telles que les matériaux de construction légers pour les bâtiments, les composants pour la robotique modulaire et le guidage d’ondes dans les métamatériaux acoustiques.
Le Kirigami est une variante de l’origami qui consiste à découper du papier, en plus de le plier. Alors que le kirigami est réalisé à l’aide de matériaux bidimensionnels, tels que le papier, Yin et ses collaborateurs ont appliqué les principes du kirigami à des matériaux tridimensionnels qui sont découpés en cubes connectés.
Plus précisément, les chercheurs ont modélisé leur nouvelle approche en utilisant une série de huit cubes en carton connectés et ouverts sur deux côtés. Considérez chaque unité de huit cubes connectés comme un bloc de construction. Selon la façon dont les cubes sont connectés les uns aux autres, ces blocs de construction peuvent être pliés en plus de 300 000 modèles différents.
« Considérez ces unités de kirigami comme des blocs de construction polyvalents pouvant être assemblés pour créer des structures plus grandes avec différentes propriétés mécaniques », explique Yin. “De plus, les plus grandes structures peuvent également être démontées, permettant aux utilisateurs de réassembler les unités de kirigami dans de nouvelles structures.”
Pour démontrer l’utilité du concept, les chercheurs ont créé plus d’une douzaine de blocs de construction reconfigurables. Chaque bloc se composait de huit cubes de papier connectés et pouvait être reconfiguré en huit formes différentes. La vidéo met en évidence les façons dont chaque unité peut être reconfigurée en différentes structures, comment ces structures peuvent être assemblées en structures plus grandes et comment les grandes structures assemblées peuvent être désassemblées en blocs reconfigurables.
Selon l’orientation des parois du cube solide et des côtés ouverts dans chaque bloc, et le placement de chaque bloc dans la structure plus grande, la structure se comportera différemment. Cela permet aux utilisateurs de régler les propriétés mécaniques de chaque bloc de construction. Par exemple, un seul bloc de construction pourrait être plié en une structure qui peut être facilement compressée, ou replié dans une forme différente capable de supporter une charge importante.
“Le fait que vous puissiez désassembler et reconfigurer ces métamatériaux 3D permet aux utilisateurs de modifier les propriétés mécaniques d’une structure selon les besoins pour effectuer différentes tâches”, explique Yin. « Pliez-le dans un sens pour le rendre facile à comprimer, pliez-le d’une autre manière pour permettre un mouvement latéral, pliez-le d’une troisième manière pour le rendre rigide ou améliorer sa force physique – et ainsi de suite.
«Ce travail était axé sur la démonstration du concept fondamental», explique Yin. « Notre prochaine étape consiste à démontrer les applications du concept. »
Référence : « 3D Transformable Modular Kirigami-Based Programmable Métamatériaux« Par Yanbin Li, Qiuting Zhang, Yaoye Hong et Jie Yin, le 29 juillet 2021, Matériaux fonctionnels avancés.
DOI : 10.1002 / adfm.202105641
L’article est publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés. Le premier auteur de l’article est Yanbin Li, titulaire d’un doctorat. étudiant à NC State. L’article a été co-écrit par Yaoye Hong, un Ph.D. étudiant à NC State; et Qiuting Zhang, chercheur postdoctoral à Université de Yale. Le travail a été réalisé avec le soutien de la National Science Foundation sous la subvention 2005374.
