L'arte giapponese dell'origami (da ori, pieghevole, e kami, paper) trasforma fogli di carta piatti in complesse sculture. Le variazioni includono kirigami (da kiri, tagliare), una versione di origami che consente di tagliare e ricollegare i materiali utilizzando nastro adesivo o colla.

Ma mentre entrambe le forme d'arte sono una fonte di idee per la scienza, architettura, e disegno, ognuno ha dei limiti fondamentali. Le pieghe piatte richieste dagli origami si traducono in una struttura complessiva sbloccabile, mentre le creazioni kirigami non possono essere spiegate nel loro originale, stati appiattiti a causa dell'adesivo.

Prendendo ispirazione da entrambe le forme d'arte, ricercatori descrivono una nuova serie di motivi per creare leggerezza, forte, e strutture pieghevoli utilizzando materiali morbidi. Queste strutture kirigami possono supportare 14, 000 volte il loro peso e, perché non richiedono adesivi o fissaggi, può essere facilmente appiattito e ripiegato. Pubblicato in Revisione fisica X , il lavoro è stato condotto dallo studente laureato in visita Xinyu Wang e dal professor Randall Kamien dell'Università della Pennsylvania in collaborazione con Simon Guest dell'Università di Cambridge.

Wang, un dottorato di ricerca studente presso la Southeast University, era interessato a studiare le proprietà meccaniche delle strutture di origami e kirigami e ha contattato Kamien per iniziare una nuova collaborazione. Dopo che Wang è arrivato al laboratorio Kamien nel settembre 2018, Kamien le ha chiesto di provare alcuni nuovi progetti usando il set di regole del suo gruppo per esplorare le strutture kirigami.

Poco dopo, Wang ha mostrato a Kamien un nuovo design per un triangolo kirigami con pareti inclinate. Kamien fu inizialmente sorpreso di vedere che Wang aveva lasciato i lembi in eccesso dai tagli al loro posto. "Il solito percorso kirigami è tagliarlo e registrarlo, " dice Kamien. Wang "ha scoperto che, in questa particolare geometria, puoi adattare le alette."

Mentre un singolo triangolo non era particolarmente forte da solo, i ricercatori hanno notato che quando diversi erano disposti in un disegno ripetitivo, la forza che potevano sostenere era molto maggiore del previsto. "Ecco questa struttura che non richiedeva nastro adesivo, aveva dei tagli, ed era davvero forte, " dice Kamien. "All'improvviso, abbiamo questo sistema che non avevamo previsto affatto."

Per capire cosa ha reso questa geometria così resistente, Wang ha realizzato diverse versioni di diversi materiali "morbidi", compresa la carta, rame, e plastica. Ha anche realizzato versioni in cui i lembi tagliati erano nastrati, tagliare, o danneggiato. Utilizzando apparecchiature per prove di trazione e compressione di livello industriale presso il Laboratorio per la ricerca sulla struttura della materia, gli scienziati hanno scoperto che la struttura geometrica potrebbe supportare 14, 000 volte il proprio peso. L'inclinato, il design triangolare era più forte quando i lembi erano intatti e non sfruttati, ed era anche più forte dello stesso design con pareti verticali.

Con l'aiuto di Ospite, i ricercatori si sono resi conto che due deviazioni dalle regole tipiche del kirigami del gruppo erano fondamentali per la forza della struttura. Quando le pareti dei triangoli sono angolate, qualsiasi forza applicata al piano può essere tradotta in compressione orizzontale all'interno del centro del disegno. "Con quelli verticali, non c'è modo di trasformare una forza verso il basso in una forza laterale senza piegare la carta, " dice Kamien. Hanno anche scoperto che la sovrapposizione carta-carta lasciando i lembi tagliati in posizione permetteva ai triangoli di premere contro i loro vicini, che ha aiutato a distribuire il carico verticale.

Questo documento è un altro esempio di come il kirigami possa essere utilizzato come "strumento" per scienziati e ingegneri, questa volta per creare forte, oggetti rigidi di materiali morbidi. "Abbiamo capito come utilizzare materiali che possono piegarsi e allungarsi, e possiamo effettivamente rafforzare questi materiali, " dice Wang. Una possibile applicazione potrebbe essere quella di rendere poco costoso, leggero, e strutture mobili, come le tende per rifugi temporanei che sono robuste e durevoli ma possono anche essere facilmente montate e smontate.

Kamien immagina anche questo gruppo di estensione Kirigami Interleaved come un modo per creare mobili in futuro. "Un giorno, andrai all'IKEA, pieghi la scatola nei mobili, e l'unica cosa dentro è il cuscino. Non hai bisogno di nessuno di quei connettori o piccole viti, "dice Camino.

Grazie al design "ispirato" di Wang e alla fiorente collaborazione di Kamien con Wang e i suoi consiglieri Jianguo Cai e Jian Feng, le possibilità per idee e progetti futuri sono infinite. "C'erano cose su questo studio che sono totalmente al di fuori dello scopo di ciò che un fisico potrebbe sapere, "dice Kamien. "Era questa miscela perfetta di quello che potevo fare e quello che poteva fare lei".