Kirigami är en traditionell japansk konstform som innebär att man klipper och viker papper för att skapa komplexa tredimensionella (3D) strukturer eller föremål. Under de senaste decennierna har denna kreativa teknik även använts inom fysik, teknik och materialforskning för att skapa nya material, apparater och till och med robotsystem.
Forskare vid Sichuan University och McGill University har nyligen utvecklat en ny metod för omvänd konstruktion av kirigami, som inte är beroende av avancerade beräkningsverktyg och numeriska algoritmer. Denna nya metod, som beskrivs i en artikel publicerad i Physical Review Letters, kan förenkla designen av komplicerade kirigami för en rad olika tillämpningar i verkligheten.
”Detta arbete är en naturlig förlängning av vårt tidigare arbete med kirigami”, säger Damiano Pasini, senior korresponderande författare till artikeln, till Phys.org.
”Försteförfattaren, Chuan Qiao, är en före detta doktorand till mig. Under sin doktorandtid under min handledning arbetade Chuan med snäppande interaktion mellan tunna skal och anisotropisk morfning av kirigami. Studiet av det senare ledde till en artikel som publicerades förra året i Advanced Materials, där vi använde en enhetscellmetod för att undersöka deformationen av en kirigami gjord av roterande enheter med godtyckligt formade trianglar.”
I sina tidigare studier kunde forskarna bättre förstå den roll som de geometriska parametrarna för slitsmönster (t.ex. inre vinklar och längder) spelar i den anisotropa utbredningen av kirigami. För att göra detta utvärderade de förändringar i form som observerades i den slutliga utbredningen av kirigami genom att undersöka längden på sidorna och de inre vinklarna hos de triangulära enheterna.
”Detta ledde till en rad sammanhängande frågor, till exempel: hur skulle en kirigami deformeras om vi helt enkelt ändrade hela formen på den roterande enheten, i stället för att ändra dess geometriska beståndsdelar individuellt, som vi gjorde i tidigare arbeten? Finns det ett fysiskt samband mellan kirigamins deformation och formen på dess roterande enhet? Och kan detta geometriska samband utgöra en intuitiv första väg för omvänd design av kirigami?”, säger Pasini.
”Med dessa frågor i åtanke blev vårt mål tvåfaldigt: att avslöja det grundläggande sambandet mellan formen på de roterande enheterna och formen på den utfällda kirigamin och att utnyttja detta samband för design av kirigami som inte kräver användning av de ganska sofistikerade numeriska metoder som för närvarande används i litteraturen.”
I sin nya artikel visar Pasini och hans kollegor att det finns ett enkelt samband mellan den belastning som appliceras på en roterande enhet (γ*max) och skjuvdeformationen hos en utfälld triangulär kirigami (γmax). Deras föreslagna metod för att omvända designen av kirigami utnyttjar detta enkla samband.
Det grundläggande sambandet mellan den belastning som appliceras på en roterande enhet (γ*max) och skjuvdeformationen hos den utfällda triangulära kirigamin (γmax). En krympning av de roterande enheterna i deras ursprungliga slutna form motsvarar en expansion av den utfällda kirigamin. Källa: Qiao et al.
”Det centrala begreppet är att skjuvspänningen som appliceras på de ursprungliga roterande enheterna, som krymper horisontellt när vi flyttar från den vänstra till den mellersta skissen, är i motsatt riktning mot skjuvspänningen hos den utfällda triangulära kirigamin, som i kontrast expanderar horisontellt (när den fälls ut)”, säger Pasini.
”Denna insikt kan utnyttjas för omvänd design av kirigami. Genom en enkel geometrisk justering av formen på de roterande enheterna med skjuvspänningar kan vi uppnå en målinriktad utfällning. Den enda grundläggande åtgärden vi behöver är att använda en areabevarande karta för att applicera skjuvspänningen.”
Den nya metoden för konstruktion av kirigami som introducerats av detta forskarteam kräver tre viktiga ingredienser. Dessa är den sammandragna formen på de roterande enheterna, formen på en utfälld kirigami och en areabevarande karta som visar övergången från den utfällda kirigamin till dess icke-utfällda (dvs. sammandragna) form.
”Med ovanstående ingredienser kan skjuvningen av den utplacerade triangulära kirigamin programmeras genom att applicera en skjuvning på formen av de roterande enheterna i motsatt riktning”, säger Pasini. ”Vår metod kan nu avstå från alla numeriska beräkningar och programmera skjuvningen av ett kirigamiprojekt på ett snabbt och mångsidigt sätt.”
För att demonstrera potentialen i sin inversa designmetod använde Pasini och hans kollegor den för att producera tre olika typer av morfande mål, nämligen den sammandragna formen, den utfällda formen och de interna banorna för roterande enheter i kirigami.
Denna senaste studie visar ett grundläggande samband mellan deformationen av kirigami och formen på deras roterande enheter, vilket kan utnyttjas för att designa dessa strukturer. Teamets geometriska designmetod kan snart användas för att skapa ett brett spektrum av kirigamidesigner som kan hjälpa till att tackla komplexa tekniska utmaningar.
”Detta arbete ger grundläggande insikter om morfande materia med roterande enheter och erbjuder en intuitiv, förstahandsgeometrisk väg för snabb design av komplex kirigami”, tillade Pasini. ”Liknande observationer kan också göras genom att undersöka morfningen av fyrkantig kirigami, vilket visar på potentialen i detta arbete för att beskriva andra kirigami-mönster.”
Mer information: Chuan Qiao et al, Inverse Design of Kirigami through Shape Programming of Rotating Units, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.176103
