Ученые создали конструкцию из бумаги, способную выдерживать вес, в 14000 раз превышающий ее собственный вес

Команда исследователей обнаружила, что используя вдохновленное оригами искусство резки и складывания бумаги, можно создавать сверхпрочные модели из легких мягких материалов без необходимости в клеях или крепежных деталях.

Японское искусство оригами (от ori, folding и kami, paper) превращает плоские листы бумаги в сложные скульптуры. Вариации включают киригами (от kiri, чтобы вырезать), версию оригами, которая позволяет разрезать материалы и повторно соединить с помощью ленты или клея. Но хотя обе формы искусства являются источником идей для науки, архитектуры и дизайна, каждая из них имеет фундаментальные ограничения. 

Черпая вдохновение из обоих видов искусства, исследователи описывают новый набор мотивов для создания легких, прочных и складных конструкций с использованием мягких материалов. Эти структуры kirigami могут поддержать вес, в 14 000 раз превышающий их собственный. Опубликованная 21 января 2020 года в Physical Review X работа была проведена приглашенным аспирантом Синью Ван и профессором Рэндаллом Камиеном из Пенсильвании.

Ван и сотрудники лаборатории Камиена собрали самые большие книги, которые они смогли найти на физическом факультете. Они обнаружили, что семь экземпляров двухкилограммовых учебников "гравитации" могут быть поддержаны всего одним листом киригами.

В то время как один треугольник сам по себе не был особенно сильным, исследователи заметили, что когда несколько были расположены в повторяющемся дизайне, сила, которую они могли поддерживать, была намного больше, чем ожидалось.

Вскоре после этого Ван показал Камиену новый дизайн для треугольника киригами, который наклонил стены. Поначалу Камиен был удивлен, увидев, что Ван оставил на месте лишние створки от порезов.  

В то время как один треугольник сам по себе не был особенно сильным, исследователи заметили, что когда несколько были расположены в повторяющемся порядке, сила, которую они могли поддерживать, была намного больше, чем ожидалось. 

Чтобы выяснить, что сделало эту геометрию такой упругой, Ван сделал несколько версий различных "мягких" материалов, включая бумагу, медь и пластик. Она также сделала версии, где вырезанные закрылки были заклеены лентой, разрезаны или повреждены. Используя промышленное испытательное оборудование для испытания на растяжение и сжатие в лаборатории для исследования структуры вещества, ученые обнаружили, что геометрическая структура может поддерживать вес, в 14 000 раз превышающий свой собственный. Наклоненный, треугольный дизайн был самым сильным, когда закрылки были неповрежденными и нетронутыми, и он также был сильнее, чем тот же дизайн с вертикальными стенками.

Исследователи поняли, что два отклонения от типичных правил группы киригами были ключевыми для прочности структуры. Когда стенки треугольников наклонены под углом, любая сила, приложенная к вершине, может быть преобразована в горизонтальное сжатие в центре конструкции. 

“С вертикальными нет никакого способа превратить нисходящую силу в боковую силу, не согнув бумагу", - говорит Камен. 

Эта статья является еще одним примером того, как киригами может быть использован в качестве “инструмента” для ученых и инженеров, на этот раз для создания прочных, жестких объектов из мягких материалов. 

“Мы выяснили, как использовать материалы, которые могут сгибаться и растягиваться, и мы действительно можем укрепить эти материалы”, - говорит Ван. 

Одно возможное применение смогло быть сделать недорогие, облегченные структуры, как временные шатры укрытия, сильные и прочные, но в тоже время могут быть легко собраны и демонтированы.