Блог

Jul 07, 2023

Инженеры используют киригами для создания сверхпрочных и легких конструкций

22 августа 2023 г. Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

22 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

Адам Зеве, Массачусетский технологический институт

Ячеистые твердые вещества — это материалы, состоящие из множества ячеек, упакованных вместе, например, в сотах. Форма этих ячеек во многом определяет механические свойства материала, включая его жесткость и прочность. Кости, например, наполнены натуральным материалом, который делает их легкими, но жесткими и прочными.

Вдохновленные костями и другими клеточными твёрдыми телами, встречающимися в природе, люди использовали ту же концепцию для разработки строительных материалов. Изменяя геометрию элементарных ячеек, из которых состоят эти материалы, исследователи могут настроить механические, термические или акустические свойства материала. Архитектурные материалы используются во многих сферах: от амортизирующего упаковочного пенопласта до радиаторов теплорегулирования.

Используя киригами, древнее японское искусство складывания и резки бумаги, исследователи Массачусетского технологического института теперь изготовили высокопроизводительный материал, известный как пластинчатая решетка, в гораздо больших масштабах, чем ученые ранее могли достичь с помощью аддитивного производства. Эта техника позволяет им создавать конструкции из металла или других материалов индивидуальной формы и специально подобранных механических свойств.

«Этот материал похож на стальную пробку. Он легче пробки, но обладает высокой прочностью и жесткостью», — говорит профессор Нил Гершенфельд, руководитель Центра битов и атомов (CBA) Массачусетского технологического института и старший автор новой статьи о этот подход.

Исследователи разработали модульный процесс строительства, в котором множество более мелких компонентов формируются, складываются и собираются в трехмерные формы. Используя этот метод, они изготовили сверхлегкие и сверхпрочные конструкции и роботов, которые под заданной нагрузкой могут трансформироваться и сохранять свою форму.

Поскольку эти конструкции легкие, но прочные, жесткие и их относительно легко производить массово в больших масштабах, они могут быть особенно полезны в архитектурных, самолетных, автомобильных или аэрокосмических компонентах.

К Гершенфельду в работе над статьей присоединяются соавторы Альфонсо Парра Рубио, научный сотрудник CBA, и Клара Мундилова, аспирантка Массачусетского технологического института в области электротехники и информатики; вместе с Дэвидом Прейссом, аспирантом CBA; и Эрик Д. Демейн, профессор информатики Массачусетского технологического института. Исследование будет представлено на конференции ASME «Компьютеры и информация в инженерии», которая пройдет в Бостоне 20–23 августа.

Архитектурные материалы, такие как решетки, часто используются в качестве основы для композитного материала, известного как сэндвич-структура. Чтобы представить себе сэндвич-конструкцию, представьте себе крыло самолета, где ряд пересекающихся диагональных балок образует решетчатый сердечник, зажатый между верхней и нижней панелями. Эта ферменная решетка обладает высокой жесткостью и прочностью, но при этом очень легкая.