Lấy cảm hứng từ xương và các chất rắn tế bào khác có trong tự nhiên, con người đã sử dụng khái niệm tương tự để phát triển vật liệu xây dựng. Bằng cách thay đổi hình dạng của các tế bào tạo nên những vật liệu này, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh các đặc tính cơ học, nhiệt hoặc âm thanh của vật liệu. Vật liệu xây dựng được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ xốp đóng gói hấp thụ sốc đến bộ tản nhiệt điều chỉnh nhiệt.

Sử dụng Kirigami, nghệ thuật kirigami và origami của Nhật Bản, các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển các vật liệu siêu bền, nhẹ với các đặc tính cơ học có thể điều chỉnh được như độ cứng và tính linh hoạt. Những vật liệu này có thể được sử dụng trong máy bay, ô tô hoặc tàu vũ trụ. Nguồn hình ảnh: Được phép của các nhà nghiên cứu


Các nhà nghiên cứu của MIT đã sửa đổi mẫu nếp gấp origami phổ biến để các điểm sắc nét của cấu trúc sóng trở thành các mặt. Những mặt này, giống như các mặt trên một viên kim cương, tạo ra một bề mặt phẳng để tấm có thể được gắn chặt dễ dàng hơn bằng bu lông hoặc đinh tán. Nguồn hình ảnh: Được phép của các nhà nghiên cứu


Các nhà nghiên cứu tại MIT đã sử dụng Kirigami, nghệ thuật origami và kirigami cổ xưa của Nhật Bản, để tạo ra một vật liệu cấu trúc hiệu suất cao gọi là lưới ở quy mô vượt xa những gì các nhà khoa học trước đây có thể đạt được thông qua sản xuất bồi đắp. Công nghệ này cho phép họ tạo ra những cấu trúc này bằng kim loại hoặc các vật liệu khác với hình dạng tùy chỉnh và các đặc tính cơ học được thiết kế đặc biệt.

"Vật liệu này giống như nút chai thép. Nó nhẹ hơn nút chai nhưng có độ bền và độ cứng cao", Giáo sư Neil Gershenfeld, giám đốc Trung tâm Bit và Nguyên tử (CBA) của MIT và là tác giả cấp cao của bài báo mới về phương pháp này cho biết.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển quy trình sản xuất mô-đun trong đó nhiều bộ phận nhỏ hơn được tạo hình, gấp lại và lắp ráp thành hình dạng ba chiều. Sử dụng phương pháp này, họ tạo ra các cấu trúc và robot siêu nhẹ, siêu bền có thể biến dạng và duy trì hình dạng dưới các tải trọng cụ thể.


Các nhà nghiên cứu đã điều khiển cấu trúc tôn bằng cách căng dây thép trên bề mặt tuân thủ rồi nối chúng với ròng rọc và hệ thống động cơ, cho phép nó uốn cong theo cả hai hướng. Nguồn hình ảnh: Được phép của các nhà nghiên cứu

Vì các cấu trúc này nhẹ, chắc, cứng và tương đối dễ sản xuất ở quy mô lớn nên chúng đặc biệt hữu ích trong các bộ phận xây dựng, máy bay, ô tô hoặc hàng không vũ trụ.

Đồng tác giả Alfonso Parra Rubio, trợ lý nghiên cứu CBA và Khoa Khoa học Máy tính và Kỹ thuật Điện của MIT, đồng tác giả bài báo với sinh viên tốt nghiệp Gershenfeld Klara Mundilova, cũng như sinh viên tốt nghiệp CBA David Preiss và giáo sư khoa học máy tính MIT Erik D. Demaine. Kết quả nghiên cứu đã được trình bày tại Hội nghị Thông tin và Kỹ sư Máy tính của Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ.

Vật liệu kết cấu như lưới thường được sử dụng làm lõi của vật liệu composite được gọi là cấu trúc bánh sandwich. Để hình dung một cấu trúc bánh sandwich, hãy tưởng tượng một cánh máy bay, trong đó một loạt các dầm chéo giao nhau tạo thành một lõi lưới được kẹp giữa các tấm trên và dưới. Cấu trúc giàn này có độ cứng và độ bền cao nhưng trọng lượng rất nhẹ.

Mạng tấm là cấu trúc tổ ong bao gồm các giao điểm ba chiều của các tấm thay vì dầm. Độ bền và độ cứng của các cấu trúc hiệu suất cao này thậm chí còn vượt xa cả lưới giàn, nhưng do hình dạng phức tạp của chúng nên việc chế tạo chúng bằng các kỹ thuật phổ biến như in 3D là một thách thức, đặc biệt là trong các ứng dụng kỹ thuật quy mô lớn.

Các nhà nghiên cứu của MIT đã vượt qua những thách thức sản xuất này bằng cách sử dụng giấy tung, một kỹ thuật gấp và cắt giấy để tạo ra các hình dạng 3D có từ các nghệ sĩ Nhật Bản thế kỷ thứ 7.


Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp của họ để tạo ra cấu trúc nhôm có cường độ nén trên 62 kilonewton nhưng chỉ nặng 90 kg/m2. Nguồn hình ảnh: Được phép của các nhà nghiên cứu

Kirigami đã được sử dụng để tạo ra các tấm bằng cách sử dụng các nếp gấp ngoằn ngoèo một phần. Nhưng để tạo ra cấu trúc bánh sandwich, các tấm phẳng phải được gắn vào mặt trên và mặt dưới của lõi sóng rồi đến các điểm hẹp được tạo bởi các nếp gấp xương cá. Điều này thường đòi hỏi chất kết dính hoặc kỹ thuật hàn mạnh, khiến việc lắp ráp chậm, tốn kém và khó mở rộng quy mô.

Các nhà nghiên cứu của MIT đã sửa đổi kiểu gấp giấy origami phổ biến để các điểm nhọn của cấu trúc sóng trở thành các mặt. Những mặt này, giống như các mặt trên một viên kim cương, tạo ra một bề mặt phẳng để các tấm có thể được gắn chặt dễ dàng hơn bằng bu lông hoặc đinh tán.

ParraRubio cho biết: "Với trọng lượng và cấu trúc bên trong không đổi, mạng tấm vượt trội hơn mạng chùm về độ bền và độ cứng. Bằng cách sử dụng kỹ thuật in thạch bản hai photon để sản xuất ở cấp độ nano, độ cứng và độ bền lý thuyết đã đạt đến giới hạn trên H-S. Việc xây dựng mạng tấm rất khó, vì vậy về mặt vĩ mô có rất ít nghiên cứu ở quy mô vĩ mô. Chúng tôi tin rằng gấp lại là một con đường dễ dàng hơn khai thác các cấu trúc dạng tấm như vậy làm bằng kim loại "

Ngoài ra, cách các nhà nghiên cứu thiết kế, gấp và cắt các mẫu cho phép họ điều chỉnh một số tính chất cơ học nhất định, chẳng hạn như độ cứng, độ bền và mô đun uốn (xu hướng chống uốn của vật liệu). Họ mã hóa thông tin này, cùng với các hình dạng ba chiều, thành các bản đồ nếp gấp mà họ sử dụng để tạo ra những gợn sóng giấy thạch này.

Ví dụ: tùy thuộc vào cách thiết kế các nếp gấp, một số ô có thể được tạo hình để giữ nguyên hình dạng khi bị nén, trong khi những ô khác có thể được sửa đổi để chúng uốn cong. Bằng cách này, các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát chính xác mức độ biến dạng của các khu vực khác nhau của cấu trúc khi bị nén.

Vì có thể kiểm soát được tính linh hoạt của cấu trúc nên những nếp gấp này có thể được sử dụng trong robot hoặc các ứng dụng động khác có các bộ phận chuyển động, xoắn và uốn.

Để tạo ra các cấu trúc lớn như robot, các nhà nghiên cứu đã sử dụng quy trình lắp ráp mô-đun. Họ sản xuất hàng loạt các mẫu nếp gấp nhỏ hơn và lắp ráp chúng thành các cấu trúc ba chiều siêu nhẹ, cực bền. Cấu trúc nhỏ hơn có ít nếp gấp hơn, đơn giản hóa quá trình sản xuất.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng mẫu Miura-ori đã được sửa đổi để tạo ra mẫu nếp gấp tạo ra hình dạng và đặc tính cấu trúc mong muốn. Sau đó, họ sử dụng một chiếc máy độc đáo - bàn cắt Zund - để cắt các tấm kim loại phẳng và gấp chúng thành hình ba chiều.

"Để tạo ra các sản phẩm như ô tô và máy bay, bạn cần đầu tư nhiều vào khuôn mẫu. Quy trình sản xuất này không yêu cầu công cụ nào, như in 3D. Nhưng không giống như in 3D, quy trình của chúng tôi có thể đặt ra giới hạn ghi lại các đặc tính vật liệu", Gershenfeld nói.

Sử dụng phương pháp của mình, họ đã tạo ra một cấu trúc nhôm có cường độ nén trên 62 kilonewton nhưng chỉ nặng 90 kg/m2. (Nút chai nặng khoảng 100 kg trên một mét vuông) Cấu trúc của chúng rất chắc chắn và có thể chịu được lực gấp ba lần so với các nếp gấp nhôm thông thường.

Công nghệ linh hoạt này có thể được sử dụng trong nhiều loại vật liệu, bao gồm cả thép và vật liệu tổng hợp, khiến công nghệ này trở nên lý tưởng để sản xuất các bộ phận giảm chấn nhẹ cho máy bay, ô tô hoặc tàu vũ trụ.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng phương pháp của họ có thể khó mô hình hóa. Vì vậy, họ có kế hoạch phát triển các công cụ thiết kế CAD thân thiện với người dùng cho các cấu trúc lưới này trong tương lai. Ngoài ra, họ hy vọng khám phá các phương pháp để giảm chi phí tính toán trong việc mô phỏng hiệu suất mà thiết kế của họ yêu cầu.

Parra-Rubio, Mondilova và các sinh viên tốt nghiệp MIT khác cũng sử dụng kỹ thuật này để tạo ra ba tác phẩm nghệ thuật gấp lớn từ vật liệu tổng hợp nhôm được trưng bày tại Phòng thí nghiệm Truyền thông MIT. Mặc dù mỗi mảnh dài vài mét nhưng cấu trúc chỉ mất vài giờ để hoàn thành.

"Cuối cùng, tác phẩm nghệ thuật chỉ có thể thực hiện được nhờ những đóng góp về mặt toán học và kỹ thuật mà chúng tôi chứng minh trong bài báo. Nhưng chúng tôi cũng không muốn đánh mất sức mạnh thẩm mỹ trong tác phẩm của mình", ParraRubio nói.