纸质雪花、立体儿童读物和精致的纸质卡片不仅仅是手工艺者们感兴趣的。美国西北大学(Northwestern University)的一组工程师正在利用折纸实践中的想法创造一种复杂的3D打印替代品。
Kirigami来自日语单词“kiru”(切割)和“kami”(纸)，是一种传统的艺术形式，纸被精确切割并转化为3D物体。使用材料薄膜和软件选择精确的几何切割，工程师可以从实践中获得灵感，创建广泛的复杂结构。
2015年发表的一项研究显示，kirigami的“弹出式”制造模型前景光明。在这个迭代中，由切割创建的带状结构是开放的形状，实现封闭形状的能力有限。其他基于同样灵感的研究主要表明，kirigami可以用简单的材料，如纸，在宏观上应用。
但是今天(12月22日)发表在《高级材料》杂志上的一项新研究将这一过程又向前推进了一步。
麦考密克工程学院机械工程教授Horacio Espinosa表示，他的团队能够将设计和kirigami的概念应用到纳米结构中。埃斯皮诺萨领导了这项研究，他是制造业和企业家精神方面的James N.和Nancy J. Farley教授。
“通过将纳米制造、原位显微镜实验和计算模型相结合，我们揭示了kirigami结构的丰富行为，并确定了它们在实际应用中的条件，”Espinosa说。
研究人员首先利用半导体制造中最先进的方法创建二维结构，然后将“kirigami切割”小心地放置在超薄薄膜上。由薄膜中的残余应力引起的结构不稳定性会产生明确的三维结构。这种设计的kirigami结构可以应用于许多应用领域，从微尺度的夹持器(如细胞拾取)到空间光调制器，再到飞机机翼的流动控制。这些能力使该技术在生物医学设备、能源收集和航空航天领域有潜在的应用前景。
新研究允许每个基里加米母题弯曲成多种形状。
通常情况下，kirigami图案可以创造的形状数量是有限的。但通过使用不同的切割方式，该团队能够展示薄膜弯曲和扭曲的效果，从而产生更多不同的形状，包括对称和不对称的形状。研究人员首次展示了微尺度结构，利用几十纳米的薄膜厚度，可以实现不同寻常的3D形状，并呈现更广泛的功能。
例如，静电微镊子关闭，这可能是苛刻的软样品。相比之下，基于kirigami的镊子可以通过调整拉伸量来精确控制抓力。在这种应用和其他应用中，基于计算机模拟设计切割位置和预测结构行为的能力避免了反复试验，节省了过程中的金钱和时间。
随着研究的进展，埃斯皮诺萨说，他的团队计划探索kirigami设计的大空间，包括阵列配置，以实现更多可能的功能。未来研究的另一个领域是为kirigami部署和控制嵌入分布式驱动器。通过进一步研究这项技术，该团队相信kirigami可以在建筑、航空航天和环境工程中发挥作用。
论文“Kirigami工程:展示一系列可控配置的纳米结构”得到了美国能源部的支持(合同编号DE-AC02-06CH11357)。共同第一作者是宾夕法尼亚州立大学的埃斯皮诺萨和大卫·洛佩兹。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.northwestern.edu/stories/2020/12/kirigami-engineering/