Wang e o laboratório Kamien coletaram os maiores livros que puderam encontrar no departamento de física. Eles descobriram que sete cópias do livro 'Gravitation' de cinco libras poderiam ser suportadas por uma única folha de kirigami. Crédito:Randall Kamien
A arte japonesa do origami (de ori, dobrando, e kami, papel) transforma folhas planas de papel em esculturas complexas. As variações incluem kirigami (de kiri, cortar), uma versão do origami que permite que os materiais sejam cortados e reconectados com fita adesiva ou cola.
Mas embora ambas as formas de arte sejam uma fonte de ideias para a ciência, arquitetura, e design, cada um tem limitações fundamentais. As dobras planas exigidas pelo origami resultam em uma estrutura geral desbloqueável, enquanto as criações do kirigami não podem ser desdobradas de volta ao seu original, estados achatados por causa do adesivo.
Inspirando-se em ambas as formas de arte, pesquisadores descrevem um novo conjunto de motivos para a criação de peso leve, Forte, e estruturas dobráveis usando materiais macios. Essas estruturas de kirigami podem suportar 14, 000 vezes o seu peso e, porque eles não requerem adesivos ou fixadores, pode ser facilmente achatado e redobrado. Publicado em Revisão Física X , o trabalho foi conduzido pelo estudante visitante de graduação Xinyu Wang e o professor Randall Kamien, da Universidade da Pensilvânia, em colaboração com Simon Guest, da Universidade de Cambridge.
Wang, um Ph.D. estudante da Southeast University, estava interessado em estudar as propriedades mecânicas das estruturas de origami e kirigami e procurou Kamien para iniciar uma nova colaboração. Depois que Wang chegou ao laboratório Kamien em setembro de 2018, Kamien pediu a ela para experimentar alguns novos designs usando o conjunto de regras de seu grupo para explorar estruturas de kirigami.
Uma visão de perto das estruturas de kirigami de sustentação de peso criadas por Xinyu Wang enquanto trabalhava no laboratório de Randall Kamien. Cada plataforma triangular elevada é suportada por abas vizinhas (mostradas em azul) que trabalham juntas para manter a estrutura no lugar sem fita ou adesivo. Crédito:Erica Brockmeier
Pouco depois, Wang mostrou a Kamien um novo design para um triângulo de kirigami que tinha paredes inclinadas. Kamien ficou inicialmente surpreso ao ver que Wang havia deixado as abas excedentes dos cortes no lugar. "A rota usual do kirigami é cortar e prender com fita adesiva, "diz Kamien. Wang" descobriu que, nesta geometria particular, você pode ajustar as abas. "
Embora um único triângulo não fosse particularmente forte por conta própria, os pesquisadores notaram que, quando vários foram dispostos em um design repetitivo, a força que eles podiam suportar era muito maior do que o esperado. "Aqui estava essa estrutura que não exigia fita, tinha cortes, e foi muito forte, "Kamien diz." De repente, temos esse sistema que não havíamos previsto. "
Para descobrir o que tornou esta geometria tão resiliente, Wang fez várias versões de diferentes materiais "macios", incluindo papel, cobre, e plástico. Ela também fez versões em que as abas cortadas eram coladas, cortar, ou danificado. Usando equipamentos de teste de tensão e compressão de nível industrial no Laboratório de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria, os cientistas descobriram que a estrutura geométrica poderia suportar 14, 000 vezes o seu próprio peso. O inclinado, o design triangular era mais forte quando as abas não estavam danificadas e não viradas, e também era mais forte do que o mesmo design com paredes verticais.
Com a ajuda do convidado, os pesquisadores perceberam que dois desvios das regras típicas de kirigami do grupo eram a chave para a resistência da estrutura. Quando as paredes dos triângulos são anguladas, qualquer força aplicada ao topo pode ser traduzida em compressão horizontal dentro do centro do projeto. "Com os verticais, não há como transformar uma força descendente em uma força lateral sem dobrar o papel, "diz Kamien. Eles também descobriram que a sobreposição papel-a-papel ao deixar as abas cortadas no lugar permitia que os triângulos pressionassem seus vizinhos, o que ajudou a distribuir a carga vertical.
Os experimentos foram conduzidos usando equipamentos de teste de compressão e tensão de nível industrial para ver quanta carga as estruturas podiam suportar. Quando as estruturas finalmente entram em colapso, as paredes se dobram para dentro ou para fora, com o último marcado por linhas vermelhas. Esta observação ajuda a explicar por que as estruturas com abas coladas ou danificadas não conseguiram suportar muito peso:sob pressão, os triângulos “se espalham” para fora e precisam ter vizinhos próximos para permanecer no lugar. Crédito:Xinyu Wang e Randall Kamien
Este artigo é mais um exemplo de como o kirigami pode ser usado como uma "ferramenta" para cientistas e engenheiros, desta vez para criar forte, objetos rígidos de materiais macios. "Descobrimos como usar materiais que podem dobrar e esticar, e podemos realmente fortalecer esses materiais, "diz Wang. Uma aplicação possível poderia ser tornar barato, leve, e estruturas implantáveis, como tendas de abrigo temporário que são fortes e duráveis, mas também podem ser facilmente montadas e desmontadas.
Kamien também visualizou este conjunto de extensão Kirigami intercalado como uma forma de criar móveis no futuro. "Algum dia, você vai para a IKEA, você dobra a caixa na mobília, e a única coisa dentro é a almofada. Você não precisa de nenhum desses conectores ou pequenos parafusos, "diz Kamien.
Graças ao design "inspirado" de Wang e à crescente colaboração de Kamien com Wang e seus conselheiros Jianguo Cai e Jian Feng, as possibilidades de ideias e designs futuros são infinitas. "Havia coisas sobre este estudo que estão totalmente fora do escopo do que um físico saberia, "disse Kamien." Foi uma mistura perfeita do que eu poderia fazer e do que ela poderia fazer. "
