Wang et le laboratoire Kamien ont rassemblé les plus gros livres qu'ils ont pu trouver dans tout le département de physique. Ils ont découvert que sept exemplaires du manuel "Gravitation" de cinq livres pouvaient être soutenus par une seule feuille de kirigami. Crédit :Randall Kamien
L'art japonais de l'origami (de ori, pliant, et kami, papier) transforme des feuilles de papier plates en sculptures complexes. Les variations incluent le kirigami (de kiri, couper), une version de l'origami qui permet de découper et de reconnecter des matériaux à l'aide de ruban adhésif ou de colle.
Mais alors que les deux formes d'art sont une source d'idées pour la science, architecture, et conception, chacun a des limites fondamentales. Les plis plats requis par l'origami se traduisent par une structure globale déverrouillable, alors que les créations de kirigami ne peuvent pas être dépliées dans leur original, états aplatis à cause de l'adhésif.
S'inspirant des deux formes d'art, les chercheurs décrivent un nouvel ensemble de motifs pour créer des poids légers, fort, et des structures pliables utilisant des matériaux souples. Ces structures de kirigami peuvent supporter 14, 000 fois leur poids et, car ils ne nécessitent pas d'adhésifs ou de fixations, peut facilement être aplati et replié. Publié dans Examen physique X , le travail a été mené par l'étudiant diplômé invité Xinyu Wang et le professeur Randall Kamien de l'Université de Pennsylvanie en collaboration avec Simon Guest de l'Université de Cambridge.
Wang, un doctorat étudiant à l'Université du Sud-Est, était intéressé par l'étude des propriétés mécaniques des structures en origami et en kirigami et a contacté Kamien pour démarrer une nouvelle collaboration. Après l'arrivée de Wang au laboratoire de Kamien en septembre 2018, Kamien lui a demandé d'essayer de nouvelles conceptions en utilisant l'ensemble de règles de son groupe pour explorer les structures de kirigami.
Vue rapprochée des structures porteuses de kirigami créées par Xinyu Wang alors qu'il travaillait dans le laboratoire de Randall Kamien. Chaque plate-forme triangulaire surélevée est soutenue par des rabats voisins (indiqués en bleu) qui fonctionnent ensemble pour maintenir la structure en place sans ruban ni adhésif. Crédit :Erica Brockmeier
Peu de temps après, Wang a montré à Kamien un nouveau design pour un triangle kirigami qui avait des murs inclinés. Kamien a d'abord été surpris de voir que Wang avait laissé les rabats excédentaires des coupures en place. "La route habituelle du kirigami est de le couper et de le scotcher, " dit Kamien. Wang " a trouvé que, dans cette géométrie particulière, vous pouvez ajuster les rabats."
Alors qu'un seul triangle n'était pas particulièrement fort en soi, les chercheurs ont remarqué que lorsque plusieurs étaient disposés de manière répétitive, la force qu'ils pouvaient soutenir était beaucoup plus importante que prévu. "Voici cette structure qui ne nécessitait pas de ruban adhésif, il avait des coupures, et c'était vraiment fort, " dit Kamien. " Soudain, nous avons ce système que nous n'avions pas du tout prévu."
Pour comprendre ce qui rendait cette géométrie si résistante, Wang a fait plusieurs versions de différents matériaux "doux", y compris le papier, le cuivre, et plastique. Elle a également fait des versions où les rabats coupés ont été scotchés, couper, ou endommagé. À l'aide d'équipements d'essais de traction et de compression de qualité industrielle au Laboratoire de recherche sur la structure de la matière, les scientifiques ont découvert que la structure géométrique pouvait supporter 14, 000 fois son propre poids. Le incliné, la conception triangulaire était la plus forte lorsque les volets n'étaient pas endommagés et non exploités, et c'était aussi plus fort que le même design avec des murs verticaux.
Avec l'aide d'Invité, les chercheurs ont réalisé que deux écarts par rapport aux règles de kirigami typiques du groupe étaient la clé de la solidité de la structure. Lorsque les parois des triangles sont inclinées, toute force appliquée sur le dessus peut être traduite en compression horizontale au centre de la conception. "Avec les verticaux, il n'y a aucun moyen de transformer une force descendante en une force latérale sans plier le papier, " dit Kamien. Ils ont également constaté que le chevauchement papier sur papier en laissant les rabats coupés en place permettait aux triangles de se presser contre leurs voisins, ce qui a aidé à répartir la charge verticale.
Des expériences ont été menées à l'aide d'équipements d'essai de tension et de compression de qualité industrielle pour déterminer la charge que les structures pouvaient supporter. Lorsque les structures s'effondrent enfin, les murs se déforment ou se déforment, avec ce dernier marqué par des lignes rouges. Cette observation permet d'expliquer pourquoi les structures avec des volets scellés ou endommagés ne supportaient pas beaucoup de poids :sous pression, les triangles "s'évasent" vers l'extérieur et doivent avoir des voisins bien ajustés pour rester en place. Crédit :Xinyu Wang et Randall Kamien
Cet article est encore un autre exemple de la façon dont le kirigami peut être utilisé comme « outil » pour les scientifiques et les ingénieurs, cette fois pour créer fort, objets rigides en matériaux souples. "Nous avons compris comment utiliser des matériaux qui peuvent se plier et s'étirer, et nous pouvons réellement renforcer ces matériaux, " dit Wang. Une application possible pourrait être de faire des poids léger, et structures déployables, tels que des tentes d'abri temporaire qui sont solides et durables, mais peuvent également être facilement assemblées et démontées.
Kamien imagine également cet assemblage d'extension Kirigami entrelacé comme un moyen de créer des meubles à l'avenir. "Un jour, tu iras chez IKEA, tu plies la boîte dans le meuble, et la seule chose à l'intérieur est le coussin. Vous n'avez besoin d'aucun de ces connecteurs ou de ces petites vis, " dit Kamien.
Grâce au design "inspiré" de Wang et à la collaboration naissante de Kamien avec Wang et ses conseillers Jianguo Cai et Jian Feng, les possibilités d'idées et de conceptions futures sont infinies. "Il y avait des choses dans cette étude qui dépassaient totalement le cadre de ce qu'un physicien saurait, " dit Kamien. " C'était ce mélange parfait de ce que je pouvais faire et de ce qu'elle pouvait faire. "
