麻省理工学院的研究人员利用日本剪纸和折叠艺术kirigami，开发出具有可调机械性能(如刚度和柔韧性)的超强轻质材料。这些材料可用于飞机、汽车或宇宙飞船。图片来源:研究人员提供

借鉴日本剪纸制作技术，强我塔尔格子比软木轻，具有可定制的机械性能。

蜂窝状固体是由许多细胞挤在一起组成的材料，如蜂窝。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，骨头是由一种天然材料填充的，这使得它们很轻，但又很坚硬。

受骨骼和自然界中发现的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。通过改变组成这些材料的单元细胞的几何形状，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修改了一种常见的折纸折痕模式，即三浦ori模式，因此波纹结构的尖锐点被转换成切面。这些面，就像钻石上的那些面一样，提供了平面，可以更容易地用螺栓或铆钉将板材固定在平面上。图片来源:研究人员提供

麻省理工学院在建筑材料方面的突破

麻省理工学院的研究人员利用日本古老的折叠和剪纸艺术kirigami，制造出了一种被称为板晶格的高性能建筑材料，其规模比科学家以前通过增材制造所能实现的要大得多。这项技术允许他们用金属或其他具有定制形状和专门定制机械性能的材料创建这些结构。

“这种材料就像钢软木塞。它比软木更轻，但具有高强度和高刚度，”Neil Gershenfeld教授说，他是麻省理工学院比特和原子中心(CBA)的负责人，也是一篇关于这种方法的新论文的资深作者。

研究人员开发了一种模块化的建造过程，在这种过程中，许多较小的部件被形成、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，在特定的载荷下，它们可以变形并保持形状。

研究人员通过在弯曲的表面上拉紧钢丝，然后将它们连接到一个滑轮和马达系统，使结构向任何方向弯曲，从而驱动一个波纹结构。图片来源:研究人员提供

由于这些结构重量轻，但坚固、坚硬，并且相对容易大规模生产，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共同撰写论文的是CBA研究助理Alfonso Parra Rubio和麻省理工学院电子工程和计算机科学研究生Klara Mundilova;还有CBA的研究生大卫·普莱斯;以及麻省理工学院计算机科学教授埃里克·d·德迈恩。这项研究在ASME的计算机和信息工程会议上发表。

折叠制作

建筑材料，如晶格，经常被用作一种被称为三明治结构的复合材料的核心。要想象一个三明治结构，可以想象一个飞机机翼，其中一系列相交的对角梁形成了一个晶格核心，夹在顶部和底部面板之间。这种桁架晶格具有很高的刚度和强度，但非常轻。

板格是由板的三维交叉点构成的细胞结构，而不是梁。这些高性能结构比桁架结构更坚固，但其复杂的形状使得使用3D打印等常见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利用kirigami(一种通过折叠和剪纸制作3D形状的技术)克服了这些制造挑战，这种技术的历史可以追溯到7世纪的日本艺术家。

利用他们的方法，研究人员生产出了抗压强度超过62千牛顿的铝结构，但每平方米的重量只有90公斤。图片来源:研究人员提供

Kirigami已被用于从部分折叠的锯齿状折痕中产生板晶格。但要制作三明治结构，必须在波纹芯的顶部和底部，将平板连接到由之字形折痕形成的窄点上。这通常需要强大的粘合剂或焊接技术，这可能会使组装缓慢，昂贵且具有挑战性。

麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸折痕模式，即三浦ori模式，因此波纹结构的尖锐点被转换成切面。这些面，就像钻石上的那些面一样，提供了平面，可以更容易地用螺栓或铆钉将板材固定在平面上。

“板格在强度和刚度方面优于梁格，同时保持相同的重量和内部结构，”Parra Rubio说。“通过使用双光子光刻技术的纳米级生产，已经证明了达到理论刚度和强度的H-S上限。由于构造板晶格的难度很大，因此对其宏观尺度的研究很少。我们认为折叠是更容易利用这种金属制成的板结构的途径。”

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，如刚度、强度和弯曲模量(材料抗弯曲的趋势)。他们将这些信息以及3D形状编码成折痕图，用于创建这些基里伽米波纹。

例如，根据折叠的设计方式，一些细胞可以被塑形，这样它们在被压缩时就能保持原来的形状，而另一些细胞可以被修改，这样它们就能弯曲。通过这种方式，研究人员可以精确地控制结构的不同区域在被压缩时如何变形。

由于结构的灵活性可以控制，这些波纹可以用于机器人或其他动态应用中，其部件可以移动，扭曲和弯曲。

为了制造像机器人这样的大型结构，研究人员引入了模块化组装过程。他们大量生产较小的折痕图案，并将它们组装成超轻、超强的3D结构。更小的结构有更少的折痕，这简化了制造过程。

利用经过调整的Miura-ori模式，研究人员创造了一种折痕模式，这种折痕模式将产生他们想要的形状和结构特性。然后，他们利用一种独特的机器——Zund切割台——在一块平坦的金属板上刻下刻痕，然后将其折叠成3D形状。

“为了制造汽车和飞机等产品，在工具上投入了巨额资金。这种制造过程没有工具，就像3D打印一样。但与3D打印不同的是，我们的工艺可以设定材料性能记录的极限，”Gershenfeld说。

利用他们的方法，他们生产出了抗压强度超过62千牛顿的铝结构，但每平方米的重量只有90公斤。(软木每平方米重约100公斤。)它们的结构非常坚固，可以承受三倍于典型铝波纹板的力。

这种多用途的技术可用于许多材料，如钢铁和复合材料，使其非常适合生产飞机、汽车或航天器的轻质减震部件。

然而，研究人员发现他们的方法很难建模。因此，在未来，他们计划为这些kirigami板晶格结构开发用户友好的CAD设计工具。此外，他们希望探索方法，以减少模拟产生所需性能的设计的计算成本。

建筑材料中的艺术与实用

“Kirigami瓦楞在建筑施工中具有令人兴奋的潜力，”James Coleman 3月14日说，他是制造和安装设计公司SumPoint的联合创始人，也是Zahner公司负责创新和研发的前副总裁，他没有参与这项工作。

“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素的方法是材料密集和浪费的，因此对大多数项目来说是不切实际的。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显著影响建筑环境。制造具有特定性能的各种板晶格几何形状的能力可以用更少的材料实现更高性能和更具表现力的建筑。

“告别沉重的钢铁和混凝土结构，迎接轻量级的格架!”

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，这些艺术品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完成了。

“在一天结束的时候，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。

参考:“Kirigami瓦楞纸:强，模块化和可编程的板格”，作者:Alfonso Parra Rubio, Klara Mundilova, David Preiss, Erik D. Demaine和Neil Gershenfeld, DETC2023。PDF

这项工作部分由比特和原子研究联盟中心、AAUW国际奖学金和GWI费·韦伯基金资助。