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北卡罗莱纳州立大学的研究人员已经开发出一种材料，可以用来创建能够转换成多种不同建筑的结构。研究人员设想了从建筑到机器人的各种应用。
“我们开发的系统受到了变形的启发，”一篇关于这项工作的论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学(NC State)机械与航空航天工程副教授尹杰(Jie Yin)说。“随着自然界的变形，动物改变了它们的基本形状。我们创造了一类材料，可以用来创建改变其基本结构的结构。”
Kirigami是殷的作品的一个基本概念。Kirigami是折纸艺术的一种变体，包括切割和折叠纸。但是，虽然kirigami传统上使用二维材料，殷将同样的原理应用于三维材料。
变形系统开始于一个单一的3D kirigami单位。每个单元本身可以形成多个形状。但这些单元也是模块化的——它们可以连接起来形成越来越复杂的结构。因为单个单元本身可以形成多种形状，并且可以以多种方式与其他单元连接，所以整个系统能够形成各种各样的建筑。
殷说:“想想用传统材料可以建造什么。”“现在想象一下，当每个基本构件都能以多种方式转变时，你能构建出什么。”
阴的实验室之前演示了一个类似的概念，其中3D kirigami单元堆叠在一起。在这个系统中，这些单元可以用来组装一个结构，但这个结构也可以被拆卸。
变态系统涉及到连接剪纸艺术单位。换句话说，一旦这些单元相互连接，它们就不能断开。但是，它们创建的更大的结构能够转换成多个不同的体系结构。变形系统的视频可以在https://www.youtube.com/watch?v=hOplS5J_wHI．
殷解释说:“我们的第一个kirigami系统和变态系统之间有两个很大的区别。”
“第一个kirigami系统涉及的单元可以组装成架构，然后再拆卸，这是一个优势。然而，当这些单元被组装起来时，架构将无法进行转换。由于该装置的侧面不是刚性的，并以90度角固定，组装后的结构可以弯曲和移动——但它不能从根本上改变其几何形状。
“变形的kirigami系统不允许你拆卸一个结构，”尹说。“由于每个立方体单元的侧面都是刚性的，并以90度角固定，组装后的结构不会弯曲或弯曲太多。然而，完成的结构是能够转换成不同的架构。”
在概念验证测试中，研究人员证明，变形系统能够创建许多不同的结构，能够承受重大的重量，同时保持其结构完整性。
结构完整性很重要，因为殷认为建筑是变形系统的一个潜在应用。
尹说:“如果你扩大这种方法的规模，它可能成为新一代建筑材料的基础，可以用来创建快速部署的结构。”“想想疫情期间不得不在接到通知后立即扩大的医疗单位，或者灾难发生后对紧急住房避难所的需求。”
研究人员还认为，这种变形系统可以用来制造各种机器人设备，这些设备可以通过变形来对外界刺激做出反应，或执行不同的功能。
殷说:“我们还认为，这个系统可以用来创造一系列新的玩具——特别是可以帮助人们探索一些与物理和工程相关的基本STEM概念的玩具。”“我们愿意与业界合作，探索该系统的这些和其他潜在应用。”
纸”,三维kirigami启发的可重构和可编程的建筑物质的变形发表在杂志上今天材料物理．论文第一作者是北卡罗来纳州立大学的博士生李彦斌。这项研究得到了美国国家科学基金会2005374的资助。
希普曼-
编辑:研究摘要如下。
“受kirigami启发的三维可重构和可编程的建筑物质的变形”
作者:李彦斌和尹杰，北卡罗莱纳州立大学
发表: 8月25日,今天材料物理
DOI: 10.1016 / j.mtphys.2021.100511
文摘:大多数变形材料都局限于一对一的变形过程，即一个设计对应一个目标形状，因此受限于有限的移动(自由度)，很难进行变形。在这里，我们提出利用具有多个分支转换路径的机构的运动学分支，在一类新的三维kirigami启发的架构物质中实现增强的可重构性和形状可编程性。可重构和可编程的架构物质是由平面镶嵌的三维kirigami启发的可转换模块构成的。由8个闭环连接立方体组成的模块具有三维非分支和分支变换模式，所建立的运动学模型能够很好地捕捉到它们的运动。这些模块可以在平面上周期性地镶嵌，形成一个平面，厚的面板，具有稀释(有空隙)和紧凑(无空隙)模式，并具有多个编码的、兼容的转换模式。因此，它可以经历一系列连续的形状变化，通过重新配置成各种3D可转换的结构，这在概念上类似于一些生物在生长过程中的变形。从运动分岔可以推导出固有的富自由度。其中，一个独特的转化的3D建筑可以进一步重新编程，通过正、反设计，重新配置成多个具有零和非零高斯曲率的建筑形状。这种三维可重构运动物质在可重构超材料和变形结构方面具有潜在的应用前景。
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