رویکردی جدید در تولید فرامواد با الهام از مدل سازی مکعب‌های مقوایی

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، رویکردی جدید برای تولید فرامواد یا متامتریال (Metamaterial) با استفاده از راهبرد کریگامی (kirigami) ارائه شده است که در آن بلوک‌های ساختمانی سه‌بعدی و قابل پیکربندی ایجاد می‌شوند که می‌تواند برای تولید ساختار‌های پیچیده و پویا مورد استفاده قرار گیرد. از آنجا که رویکرد طراحی در این روش مدولار است، این سازه‌ها به راحتی مونتاژ و جداسازی می‌شوند.

جی یین، استادیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و از محققان این پروژه، می‌گوید: «استفاده از کریگامی در مواد سه‌بعدی سطح جدیدی از قابلیت پیکربندی مجدد را برای این ساختار‌ها ارائه می‌دهد.»

محققان خوشبین هستند که از این مواد سه بعدی بتوان در کاربرد‌هایی مانند مصالح ساختمانی سبک برای ساختمان‌ها، اجزای رباتیک مدولار و هدایت موج در فرامواد صوتی استفاده کرد.

کریگامی نوعی اوریگامی است که علاوه‌بر تا زدن کاغذ، شامل برش کاغذ نیز می‌شود. در حالی که کریگامی با استفاده از مواد دو بعدی مانند کاغذ انجام می‌شود، یین و همکارانش اصول کریگامی را برای مواد سه بعدی که به مکعب‌های متصل بریده شده‌اند، به کار برده‌اند.

به‌طور ویژه، محققان روش جدید خود را با استفاده از مجموعه‌ای از هشت مکعب مقوایی متصل به هم که از دو طرف باز هستند، مدل‌سازی کردند. هر واحد هشت مکعبی متصل را به‌عنوان یک بلوک ساختمان در نظر بگیرید. بسته به چگونگی اتصال مکعب‌ها به یکدیگر، این بلوک‌های ساختمانی را می‌توان در بیش از ۳۰۰۰۰۰ طرح مختلف تا کرد.

یین می‌گوید: «این واحد‌های کریگامی را به‌عنوان اجزای سازنده همه کاره در نظر بگیرید که می‌توانند برای ایجاد سازه‌های بزرگتر با خواص مکانیکی متفاوت مونتاژ شوند.»

علاوه‌بر این، ساختار‌های بزرگتر نیز قابل جدا شدن هستند و به کاربران امکان می‌دهد واحد‌های کریگامی را دوباره در ساختار‌های جدید جمع‌آوری کنند.

برای اثبات کاربرد این مفهوم، محققان بیش از دوازده بلوک ساختمان قابل تنظیم مجدد ایجاد کردند. هر بلوک از هشت مکعب کاغذ متصل به هم تشکیل شده بود و می‌تواند به هشت شکل مختلف پیکربندی شود.

بسته به جهت دیواره‌های مکعب جامد و کناره‌های باز در هر بلوک و قرارگیری هر بلوک در ساختار بزرگتر، ساختار متفاوت رفتار خواهد کرد. این موضوع به کاربران اجازه می‌دهد تا خواص مکانیکی هر بلوک ساختمانی را تنظیم کنند. به‌عنوان مثال، یک بلوک ساختمانی واحد می‌تواند در یک ساختار که به راحتی فشرده می‌شود تا شود یا به شکل متفاوتی که قادر به تحمل بار قابل توجه است، جمع شود.

یین می‌گوید: «این واقعیت که شما می‌توانید این مواد سه بعدی را جدا کرده و مجدداً پیکربندی کنید، به کاربران اجازه می‌دهد تا درصورت نیاز برای انجام کار‌های مختلف، خواص مکانیکی یک سازه را تغییر دهند. شما می‌توانید آن را به‌گونه‌ای تا کنید تا فشرده‌سازی آن آسان شود، آن را به روش دیگری تا کنید تا حرکت جانبی امکان‌پذیر باشد، یا این که این ساختار را به شکلی تا کنید تا سفت شود یا استحکام آن را افزایش دهید.»

یین می‌گوید: «این کار بر نشان دادن مفهوم اساسی کریگامی متمرکز بود. گام بعدی ما نشان دادن برنامه‌های کاربردی برای این مفهوم است.»

گفتنی است؛ نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان “۳ D Transformable Modular Kirigami-Based Programmable Metamaterials” در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.