新的Kirigami（折叠纸）设计支持其自身重量的14,000倍

王欣宇在兰德尔·卡米恩（Randall Kamien）的实验室工作时制作的负重折纸结构的特写视图。每个凸起的三角形平台均由相邻的翼板（以蓝色轮廓显示）支撑，这些翼板可一起使用以将结构固定在适当位置，而无需胶带或粘合剂。

一组研究人员发现，利用折纸启发的剪纸和折叠艺术，可以用轻质柔软的材料创建超坚固的模型，而无需粘合剂或紧固件。

日本的折纸艺术（从折纸，折叠纸和香美纸开始）将平板纸转变成复杂的雕塑。变体包括kirigami（从kiri到cut），origami是一种折纸版本，允许使用胶带或胶水切割和重新连接材料。但是，尽管两种艺术形式都是科学，建筑和设计思想的源泉，但每种形式都有其根本的局限性。折纸所需的平折会导致整体结构无法解锁，而由于粘合剂的缘故，kirigami作品无法展开回其原始的展平状态。

“这里是不需要胶带的结构，它有切口，而且非常坚固。突然，我们有了一个我们根本没想到的系统。”—兰德尔·卡米恩（Randall Kamien）

研究人员从这两种艺术形式中汲取灵感，描述了一组新主题，这些主题使用柔软的材料制成了轻巧，坚固且可折叠的结构。这些kirigami结构可以承受14,000倍的重量，并且由于不需要粘合剂或紧固件，因此可以轻松地展平和重新折叠。这项工作是在2020年1月21日的 Physical Review X上发表的，由来访的研究生王新宇和宾夕法尼亚大学的Randall Kamien教授与剑桥大学的Simon Guest合作完成。

王博士东南大学的一名学生对折纸和折纸结构的机械特性感兴趣，并与Kamien展开了新的合作。Wang于2018年9月到达Kamien实验室后，Kamien要求她使用他的小组探索激进折纸结构的规则尝试一些新设计。

Wang和Kamien实验室收集了他们在整个物理部门都能找到的最大的书籍。他们发现，一张重磅纸可以支持五磅重的“引力”教科书的七个副本。

此后不久，Wang向Kamien展示了Kamien的一种新设计，用于倾斜壁的奇瑞格三角形。最初，Kamien惊讶地发现Wang将切口上多余的皮瓣留在原地。Kamien说：“通常的kirigami路线是将其切断并用胶带粘贴。”Wang“发现，在这种特殊的几何形状中，您可以使襟翼变得合适。”

尽管单个三角形本身并不是特别坚固，但研究人员注意到，当多个三角形以重复设计排列时，它们可以承受的力比预期的要大得多。卡米恩说：“这里是不需要胶带的结构，它可以切割，而且非常坚固。”“突然之间，我们有了一个我们根本没有想到的系统。”

为了弄清楚这种几何形状如何具有弹性，Wang制造了几种不同的“软”材料版本，包括纸，铜和塑料。她还制作了一些版本，这些版本的裁切后的封口带被粘贴，切割或损坏。科学家使用物质结构研究实验室的工业级拉伸和压缩测试设备，发现几何结构可以支撑自身重量的14,000倍。当襟翼未损坏和未打开时，倾斜的三角形设计最坚固，并且比带有垂直壁的相同设计更坚固。

在Guest的帮助下，研究人员意识到与小组典型的krigami规则的两个差异是该结构强度的关键。当三角形的壁倾斜时，施加到顶部的任何力都可以转换为设计中心内的水平压缩。Kamien说：“对于垂直方向的纸张，无法将向下的力转变为侧向力而不弯曲纸张。”他们还发现，将切下的折页留在原处，纸与纸之间的重叠使三角形可以向上压向相邻的三角形，这有助于分配垂直载荷。

本文是如何将kirigami用作科学家和工程师的“工具”的又一个示例，这次是使用软材料创建坚固的刚性物体。Wang说：“我们分摊了如何使用可以弯曲和拉伸的材料，实际上我们可以增强这些材料。”一种可能的应用可能是制造便宜，轻便且可展开的结构，例如坚固耐用的临时避难所帐篷，但也易于组装和拆卸。

使用工业级拉伸和压缩测试设备进行了实验，以查看结构可以承受的载荷。当建筑物最终倒塌时，墙壁要么弯折要么弯折，后者用红线标记。该观察结果有助于解释为何带有粘滞或损坏的襟翼的结构无法支撑很大的重量：在压力下，三角形向外“张开”，并且需要有紧密贴合的邻居，才能保持原位。

Kamien还描绘了这种我交错的 K折纸 E延伸 A组件，以作为将来制造家具的一种方式。“总有一天，您要去宜家，将盒子折叠到家具中，里面唯一的东西是垫子。您不需要任何这些连接器或小螺钉，” Kamien说。

由于Wang的“灵感”设计以及Kamien与Wang以及她的顾问蔡建国和Jian Feng的迅速合作，未来构思和设计的可能性是无限的。卡米恩说：“这项研究的某些事情完全超出了物理学家的认识范围。”“这是我能做什么和她能做什么的完美融合。”

参考：“将其保持在一起：交错的Kirigami扩展大会”，王欣宇，Simon D. Guest和Randall D.Kamien于2020年1月21日在《物理评论》第十期上发表。
10.1103 / PhysRevX.10.011013

这项研究得到了美国国家科学基金会拨款DMR12-62047，来自西蒙斯基金会的西蒙斯研究人员拨款，中国奖学金委员会以及工程与物理科学研究委员会拨款EP / R014604 / 1的支持。

Randall Kamien是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理与天文学系自然科学的Vicki和William Abrams教授。