Un nuovo approccio alla produzione di metamateriali attinge alle tecniche del kirigami per rendere tridimensionali, elementi costitutivi riconfigurabili che possono essere utilizzati per creare complessi, strutture dinamiche. Poiché l'approccio progettuale è modulare, queste strutture sono facili sia da montare che da smontare.

"L'applicazione del kirigami ai materiali tridimensionali offre un nuovo livello di riconfigurabilità per queste strutture, "dice Jie Yin, autore corrispondente di un articolo sul lavoro e professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la North Carolina State University.

I ricercatori sono ottimisti sul fatto che questi metamateriali 3D potrebbero essere utilizzati in applicazioni come materiali da costruzione leggeri per edifici, componenti per robotica modulare e guida d'onda in metamateriali acustici.

Kirigami è una variante dell'origami che prevede il taglio della carta, oltre a piegarlo. Mentre il kirigami viene eseguito utilizzando materiali bidimensionali, come la carta, Yin e i suoi collaboratori hanno applicato i principi del kirigami a materiali tridimensionali tagliati in cubi collegati.

Nello specifico, i ricercatori hanno modellato il loro nuovo approccio utilizzando una serie di otto cubi di cartone collegati che sono aperti su due lati. Pensa a ogni unità di otto cubi collegati come a un elemento costitutivo. A seconda di come i cubi sono collegati tra loro, questi blocchi di costruzione possono essere piegati in più di 300, 000 diversi modelli.

"Pensa a queste unità kirigami come blocchi di costruzione versatili che possono essere assemblati per creare strutture più grandi con proprietà meccaniche diverse, "Yin dice. "Inoltre, le strutture più grandi possono anche essere smontate, consentendo agli utenti di riassemblare le unità kirigami in nuove strutture."

Per dimostrare l'utilità del concetto, i ricercatori hanno creato più di una dozzina di elementi costitutivi riconfigurabili. Ogni blocco consisteva di otto cubi di carta collegati e poteva essere riconfigurato in otto forme diverse. Il video evidenzia i modi in cui ogni unità potrebbe essere riconfigurata in diverse strutture, come queste strutture potrebbero essere assemblate in strutture più grandi, e come le grandi strutture assemblate potrebbero essere smontate nei blocchi riconfigurabili. (Il video può essere visualizzato nella parte superiore della pagina.)

A seconda dell'orientamento delle pareti solide del cubo e dei lati aperti in ciascun blocco, e il posizionamento di ogni blocco nella struttura più grande, la struttura si comporterà diversamente. Ciò consente agli utenti di ottimizzare le proprietà meccaniche di ciascun blocco costitutivo. Per esempio, un singolo blocco costitutivo potrebbe essere piegato in una struttura che può essere facilmente compressa, o ripiegato in una forma diversa in grado di sopportare un carico significativo.

"Il fatto che sia possibile smontare e riconfigurare questi metamateriali 3D consente agli utenti di modificare le proprietà meccaniche di una struttura in base alle esigenze per eseguire diverse attività, " Dice Yin. "Piegalo in un modo per renderlo più facile da comprimere, piegarlo in un altro modo per consentire il movimento laterale, piegalo in un terzo modo per renderlo rigido o migliorarne la forza fisica e così via.

"Questo lavoro si è concentrato sulla dimostrazione del concetto fondamentale, " Yin dice. "Il nostro prossimo passo è dimostrare le applicazioni per il concetto."

La carta, "Metamateriali programmabili basati su Kirigami modulari trasformabili 3D, " è pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati .