作者：Adam Zewe， 麻省理工学院
麻省理工学院的研究人员利用剪纸（日本剪纸和折叠艺术）来开发超强、轻质的材料，这些材料具有可调节的机械性能，如刚度和柔韧性。这些材料可用于飞机、汽车或航天器。图片来源：麻省理工学院
多孔固体是由许多堆积在一起的细胞组成的材料，例如蜂窝状。这些细胞的形状在很大程度上决定了材料的机械性能，包括其刚度或强度。例如，骨骼中充满了天然材料，使其重量轻，但坚硬而坚固。
受到自然界中发现的骨骼和其他细胞固体的启发，人类使用相同的概念来开发建筑材料。通过改变构成这些材料的晶胞的几何形状，研究人员可以定制材料的机械、热或声学特性。建筑材料用于许多应用，从减震包装泡沫到热调节散热器。
麻省理工学院的研究人员利用剪纸（一种古老的日本折叠和切割纸张的艺术）制造出了一种称为板状晶格的高性能建筑材料，其规模比科学家之前通过增材制造所能实现的规模要大得多。这项技术使他们能够用金属或其他具有定制形状和专门定制的机械性能的材料来创建这些结构。
“这种材料就像钢软木塞。它比软木塞轻，但具有高强度和高刚度，”麻省理工学院比特和原子中心（CBA）的领导者尼尔·格申菲尔德（Neil Gershenfeld）教授说，他是一篇新论文的高级作者。这种方法。
研究人员开发了一种模块化构造工艺，其中许多较小的部件被成型、折叠并组装成 3D 形状。利用这种方法，他们制造了超轻、超强的结构和机器人，在指定的负载下，它们可以变形并保持其形状。
由于这些结构重量轻，但坚固、坚硬，并且相对容易大规模批量生产，因此它们在建筑、飞机、汽车或航空航天部件中特别有用。
与 Gershenfeld 一起撰写该论文的还有 CBA 研究助理 Alfonso Parra Rubio 和麻省理工学院电气工程和计算机科学研究生 Klara Mundilova。和 CBA 研究生 David Preiss 一起；以及麻省理工学院计算机科学教授 Erik D. Demaine。该研究将于8 月 20 日至 23 日在波士顿举行的 ASME计算机和信息工程会议上发表。
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，称为 Miura-ori 图案，因此波纹结构的尖点转变为刻面。与钻石上的刻面一样，这些刻面提供了平坦的表面，可以使用螺栓或铆钉更轻松地将板固定在该表面上。图片来源：麻省理工学院
折叠制作
建筑材料（例如网格）通常用作一种称为夹层结构的复合材料的核心。要设想三明治结构，请考虑飞机机翼，其中一系列相交的对角梁形成夹在顶部面板和底部面板之间的网格核心。这种桁架网格具有高刚度和强度，但重量非常轻。
板晶格是由板的三维交叉点而不是梁制成的蜂窝结构。这些高性能结构比桁架晶格更坚固、更坚硬，但其复杂的形状使得使用 3D 打印等常用技术制造它们具有挑战性，特别是对于大规模工程应用。
麻省理工学院的研究人员使用剪纸克服了这些制造挑战，剪纸是一种通过折叠和切割纸张来制作 3D 形状的技术，其历史可以追溯到 7 世纪的日本艺术家。
剪纸已被用来从部分折叠的锯齿形折痕中生产板格子。但要制作夹层结构，必须将平板连接到该波纹芯的顶部和底部，并固定在锯齿形折痕形成的狭窄点上。这通常需要强力粘合剂或焊接技术，从而导致组装速度缓慢、成本高昂且难以规模化。
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，称为 Miura-ori 图案，因此波纹结构的尖点转变为刻面。与钻石上的刻面一样，这些刻面提供了平坦的表面，可以使用螺栓或铆钉更轻松地将板固定在该表面上。
“板格子在强度和刚度方面优于梁格子，同时保持相同的重量和内部结构，”帕拉·卢比奥说。“通过使用双光子光刻的纳米级生产已经证明了达到理论刚度和强度的 HS 上限。平板晶格的构造非常困难，以至于在宏观尺度上的研究很少。我们认为折叠是一种更容易利用的途径这种由金属制成的板结构。”
研究人员通过在顺应表面上张紧钢丝，然后将它们连接到滑轮和电机系统来驱动波纹结构，使该结构能够向任一方向弯曲。图片来源：麻省理工学院
可定制的属性
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，例如刚度、强度和弯曲模量（材料抵抗弯曲的倾向）。他们将这些信息以及 3D 形状编码到折痕图中，用于创建这些剪纸波纹。
例如，根据折叠的设计方式，一些单元可以被成形，以便它们在压缩时保持其形状，而另一些单元可以被修改，以便它们弯曲。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如何变形。
由于结构的灵活性是可控的，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。
为了制造机器人等更大的结构，研究人员引入了模块化组装工艺。他们批量生产更小的折痕图案，并将其组装成超轻、超强的 3D 结构。较小的结构具有较少的折痕，从而简化了制造过程。
研究人员使用经过改造的 Miura-ori 图案创建了一种折痕图案，该图案将产生所需的形状和结构特性。然后，他们利用独特的机器（Zund 切割台）对平坦的金属面板进行刻划，然后将其折叠成 3D 形状。
“为了制造汽车和飞机等产品，需要在模具上投入巨额投资。这种制造过程不需要模具，就像 3D 打印一样。但与 3D 打印不同的是，我们的工艺可以为创纪录的材料性能设定极限，”Gershenfeld 说。
研究人员利用他们的方法生产出了抗压强度超过 62 牛顿但每平方米重量仅为 90 公斤的铝结构。图片来源：麻省理工学院
利用他们的方法，他们生产出抗压强度超过 62 牛顿的铝结构，但每平方米的重量仅为 90 公斤。（软木每平方米重约 100 公斤。）它们的结构非常坚固，能够承受的力是典型铝波纹板的三倍。
这种多功能技术可用于许多材料，例如钢和复合材料，使其非常适合生产飞机、汽车或航天器的轻型减震部件。
然而，研究人员发现他们的方法可能很难建模。因此，未来他们计划为这些剪纸板格子结构开发用户友好的CAD设计工具。此外，他们希望探索降低模拟设计的计算成本的方法，从而产生所需的特性。
“剪纸波纹在建筑施工方面具有令人兴奋的潜力，”制造和安装公司 SumPoint 的设计联合创始人、Zahner 的前创新和研发副总裁 James Coleman MArch &39;14 说道，他没有参与其中与这项工作。“根据我制作复杂建筑项目的经验，目前建造大型弯曲和双弯曲元件的方法是材料密集型和浪费的，因此对于大多数项目来说被认为是不切实际的。
“虽然作者的技术为航空航天和汽车行业提供了新颖的解决方案，但我相信他们基于细胞的方法也可以对建筑环境产生重大影响。制造具有特定属性的各种板晶格几何形状的能力可以使建筑物具有更高的性能和更具表现力使用更少的材料。再见重型钢和混凝土结构，你好轻质格子。”
Parra Rubio、Mundilova 和其他麻省理工学院的研究生也使用这种技术，用铝复合材料创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。尽管每件艺术品都有几米长，但这些结构只花了几个小时就制作完成了。
“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。但我们不想忽视我们作品的美学力量，”帕拉·卢比奥说。
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