麻省理工学院的工程师使用剪纸制造超强轻质的结构

多孔固体是由许多堆积在一起的细胞组成的材料，例如蜂窝。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，骨骼中充满了天然材料，使其重量轻，但坚硬而坚固。

受到自然界中发现的骨骼和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。通过改变构成这些材料的晶胞的几何形状，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利用剪纸(一种古老的日本折叠和切割纸张的艺术)制造出了一种被称为板状晶格的高性能建筑材料，其规模比科学家之前通过增材制造所能实现的规模要大得多。这项技术使他们能够用金属或其他具有定制形状和专门定制的机械性能的材料来创建这些结构。

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， 麻省理工学院比特和原子中心 (CBA) 的领导者、有关该方法的一篇新论文的高级作者尼尔 格申菲尔德 (Neil Gershenfeld) 教授 说道。

研究人员开发了一种模块化构造工艺，其中许多较小的部件被成型、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，在指定的负载下，它们可以变形并保持其形状。

由于这些结构重量轻，但坚固、坚硬，并且相对容易大规模批量生产，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 一起撰写该论文的还有 CBA 研究助理 Alfonso Parra Rubio 和麻省理工学院电气工程和计算机科学研究生 Klara Mundilova。和 CBA 研究生 David Preiss 一起;以及麻省理工学院计算机科学教授 Erik D. Demaine。该研究将在 ASME 的计算机和信息工程会议上发表 。

折叠制作

建筑材料(例如网格)通常用作一种称为夹层结构的复合材料的核心。要设想三明治结构，请考虑飞机机翼，其中一系列相交的对角梁形成夹在顶部面板和底部面板之间的网格核心。这种桁架网格具有高刚度和强度，但重量非常轻。

板晶格是由板的三维交叉点而不是梁制成的蜂窝结构。这些高性能结构比桁架晶格更坚固、更坚硬，但其复杂的形状使得使用 3D 打印等常用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使用剪纸克服了这些制造挑战，剪纸是一种通过折叠和切割纸张来制作 3D 形状的技术，其历史可以追溯到 7 世纪的日本艺术家。

剪纸已被用来从部分折叠的锯齿形折痕中生产板格子。但要制作夹层结构，必须将平板连接到该波纹芯的顶部和底部，并固定在锯齿形折痕形成的狭窄点上。这通常需要强力粘合剂或焊接技术，从而导致组装速度缓慢、成本高昂且难以规模化。

麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸折痕图案，称为 Miura-ori 图案，因此波纹结构的尖点转变为刻面。与钻石上的刻面一样，这些刻面提供了平坦的表面，可以使用螺栓或铆钉更轻松地将板固定在该表面上。

板格子在强度和刚度方面优于梁格子，同时保持相同的重量和内部结构， 帕拉 卢比奥说。 通过使用双光子光刻的纳米级生产已经证明达到了理论刚度和强度的 HS 上限。板格结构的建造非常困难，以至于很少有宏观尺度的研究。我们认为折叠是更容易利用这种由金属制成的板结构的途径。

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