Wang y el laboratorio de Kamien recolectaron los libros más grandes que pudieron encontrar en todo el departamento de física. Descubrieron que siete copias del libro de texto 'Gravitación' de cinco libras podían estar respaldadas por una sola hoja de kirigami. Crédito:Randall Kamien
El arte japonés del origami (de ori, plegable, y kami, papel) transforma hojas planas de papel en esculturas complejas. Las variaciones incluyen kirigami (de kiri, cortar), una versión de origami que permite cortar y volver a conectar materiales con cinta o pegamento.
Pero si bien ambas formas de arte son una fuente de ideas para la ciencia, arquitectura, y diseño, cada uno tiene limitaciones fundamentales. Los pliegues planos requeridos por el origami dan como resultado una estructura general desbloqueable, mientras que las creaciones de kirigami no se pueden volver a desplegar en su original, Estados aplanados debido al adhesivo.
Inspirándose en ambas formas de arte, Los investigadores describen un nuevo conjunto de motivos para crear ligeros, fuerte, y estructuras plegables con materiales blandos. Estas estructuras de kirigami pueden soportar 14, 000 veces su peso y, porque no requieren adhesivos ni sujetadores, se puede aplanar y plegar fácilmente. Publicado en Revisión física X , El trabajo fue realizado por el estudiante graduado visitante Xinyu Wang y el profesor Randall Kamien de la Universidad de Pennsylvania en colaboración con Simon Guest de la Universidad de Cambridge.
Wang, un doctorado estudiante de la Universidad del Sureste, estaba interesado en estudiar las propiedades mecánicas de las estructuras de origami y kirigami y se acercó a Kamien para iniciar una nueva colaboración. Después de que Wang llegó al laboratorio de Kamien en septiembre de 2018, Kamien le pidió que probara algunos diseños nuevos usando el conjunto de reglas de su grupo para explorar estructuras de kirigami.
Una vista de cerca de las estructuras de kirigami que soportan peso creadas por Xinyu Wang mientras trabajaba en el laboratorio de Randall Kamien. Cada plataforma triangular elevada está sostenida por solapas vecinas (que se muestran en azul) que trabajan juntas para mantener la estructura en su lugar sin cinta ni adhesivo. Crédito:Erica Brockmeier
Poco después, Wang le mostró a Kamien un nuevo diseño para un triángulo kirigami que tenía paredes inclinadas. Kamien se sorprendió inicialmente al ver que Wang había dejado las solapas sobrantes de los cortes en su lugar. "La ruta habitual de kirigami es cortar eso y pegarlo, "dice Kamien. Wang" encontró eso, en esta geometría particular, puede hacer que las solapas encajen ".
Si bien un solo triángulo no era particularmente fuerte por sí solo, los investigadores notaron que cuando varios estaban dispuestos en un diseño repetitivo, la fuerza que podían soportar era mucho mayor de lo esperado. "Aquí estaba esta estructura que no requería cinta, tenía cortes, y fue realmente fuerte, "Kamien dice". De repente, tenemos este sistema que no habíamos anticipado en absoluto ".
Para descubrir qué hizo que esta geometría fuera tan resistente, Wang hizo varias versiones de diferentes materiales "blandos", incluido el papel, cobre, y plastico. También hizo versiones en las que se pegaron las solapas cortadas, Corte, o dañado. Usando equipo de prueba de tensión y compresión de grado industrial en el Laboratorio de Investigación sobre la Estructura de la Materia, los científicos encontraron que la estructura geométrica podría soportar 14, 000 veces su propio peso. El inclinado El diseño triangular era más fuerte cuando las solapas no estaban dañadas y sin roscar, y también era más fuerte que el mismo diseño con paredes verticales.
Con la ayuda de Guest, los investigadores se dieron cuenta de que dos desviaciones de las reglas típicas del kirigami del grupo eran clave para la fuerza de la estructura. Cuando las paredes de los triángulos están en ángulo, cualquier fuerza aplicada a la parte superior puede traducirse en compresión horizontal dentro del centro del diseño. "Con los verticales, no hay forma de convertir una fuerza descendente en una fuerza lateral sin doblar el papel, ", dice Kamien. También encontraron que la superposición de papel a papel al dejar las solapas cortadas en su lugar permitía que los triángulos se presionasen contra sus vecinos, lo que ayudó a distribuir la carga vertical.
Los experimentos se realizaron utilizando equipos de prueba de tensión y compresión de grado industrial para ver cuánta carga podían soportar las estructuras. Cuando las estructuras finalmente colapsan, las paredes se abrochan o abrochan, con este último marcado por líneas rojas. Esta observación ayuda a explicar por qué las estructuras con colgajos encintados o dañados no pudieron soportar mucho peso:bajo presión, los triángulos se “abren” hacia afuera y necesitan tener vecinos muy ajustados para permanecer en su lugar. Crédito:Xinyu Wang y Randall Kamien
Este artículo es otro ejemplo más de cómo el kirigami se puede utilizar como "herramienta" para científicos e ingenieros, esta vez para crear fuerte, objetos rígidos de materiales blandos. "Descubrimos cómo usar materiales que se pueden doblar y estirar, y podemos fortalecer estos materiales, ", dice Wang. Una posible aplicación podría ser hacer ligero, y estructuras desplegables, tales como tiendas de campaña para refugios temporales que son fuertes y duraderas pero que también se pueden montar y desmontar fácilmente.
Kamien también imagina este ensamblaje de extensión de Kirigami intercalado como una forma de crear muebles en el futuro. "Algún día, irás a IKEA, doblas la caja en los muebles, y lo único que hay dentro es el cojín. No necesitas ninguno de esos conectores o pequeños tornillos, "dice Kamien.
Gracias al diseño "inspirado" de Wang y la creciente colaboración de Kamien con Wang y sus asesores Jianguo Cai y Jian Feng, las posibilidades de ideas y diseños futuros son infinitas. "Hubo cosas sobre este estudio que están totalmente fuera del alcance de lo que un físico sabría, "dice Kamien." Fue esta combinación perfecta de lo que yo podía hacer y lo que ella podía hacer ".
