[論文レビュー] Origami-inspired Deployable Mechanical Metamaterials

Maryam Eidini, Gláucio H. Paulino|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

Advanced Materials and Mechanics被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、折り紙とキリガミをインスピレーション来源とし、幾何学的に調整された折りたたみ可能なジグザグストリップを用いて、調整可能な面内ポアソン比を実現する、新しい展開可能な機械的メタマテリアルのクラスを提案する。折りたたみシートの運動学とマルチスケールジグザグパターンを組み合わせることで、解析的および数値的モデルを用いて、負および正のポアソン比を実証した。本研究は、展開可能構造物の設計可能性を拡張する。

ABSTRACT

Creating complex spatial objects from a flat sheet of material using origami folding techniques has attracted attention in science and engineering. In the present work, we employ geometric properties of partially folded zigzag strips to better describe the kinematics of the known zigzag/herringbone-base folded sheet metamaterials such as the Miura-ori. Inspired by the kinematics of a one-degree of freedom zigzag strip, we introduce a class of cellular folded sheet mechanical metamaterials comprising different scales of zigzag strips in which the class of the patterns combines origami folding techniques with kirigami. Employing both analytical and numerical models, we study the key mechanical properties of the folded materials. Particularly, we show that, depending on the geometry, these materials exhibit both negative and positive in-plane Poisson's ratio. By expanding the design space of the Miura-ori, our class of patterns is potentially appropriate for a wide range of applications, from mechanical metamaterials to deployable structures at both small and large scales.

研究の動機と目的

• 折り紙の折り畳みとキリガミ技術を統合することで、セルラー構造の折り畳みシート機械的メタマテリアルの新クラスを開発すること。
• ジグザグストリップの運動学的挙動を、マルチスケール展開可能メタマテリアルの設計基盤として探求すること。
• これらの材料の機械的応答、特に面内ポアソン比を分析・予測すること。
• 既存のパターン（例：ミウラ折り）の設計空間を拡張し、機械的メタマテリアル分野における幅広い応用を可能とすること。
• 幾何学的チューニングにより、制御可能な機械的特性を持つスケーラブルな展開メカニズムを実現すること。

提案手法

• 部分的に折り畳まれたジグザグストリップの幾何学的性質を活用し、折り畳みシートメタマテリアルの運動学をモデル化すること。
• 折り紙の折り畳み原理とキリガミのカットを統合し、マルチスケールセルラー構造を生成すること。
• ジグザグストリップの一自由度運動学に基づく解析的モデルの構築。
• 変形挙動の検証および探求のために数値シミュレーションを適用すること。
• 幾何学的パラメータと機械的応答（特にポアソン比）の関係をマッピングすること。
• ミウラ折りの設計フレームワークを、変動スケールのジグザグ構成を含めるように拡張すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジグザグストリップの運動学的挙動をどのように活用して展開可能機械的メタマテリアルを設計できるか？
• RQ2 幾何学的パラメータが折り畳みシート材料の面内ポアソン比に与える影響は何か？
• RQ3 キリガミ統合が折り紙ベースのメタマテリアルの設計の柔軟性をどのように向上させるか？
• RQ4 マルチスケールジグザグパターンがメタマテリアルの機械的チューニング性に与える影響は何か？
• RQ5 提案されたフレームワークにより、幾何学的制御によって負および正のポアソン比を達成できるか？

主な発見

• 提案されたメタマテリアルのクラスは、幾何学的構成に応じて、負および正の面内ポアソン比を示す。
• 一自由度ジグザグストリップの運動学的モデルは、セルラーパターンの変形挙動を正確に予測できる。
• マルチスケールジグザグ配置により、幾何学的設計によるチューナブルな機械的応答が可能となる。
• キリガミと折り紙の統合により、従来のミウラ折り構成を超えた設計空間が拡張される。
• 数値的および解析的モデルにより、異なるスケールレベルで一貫した機械的挙動が確認された。
• フレームワークは、マイクロスケールおよびマクロスケールの応用に適したスケーラブルな展開メカニズムをサポートする。