[논문 리뷰] Origami-inspired Deployable Mechanical Metamaterials

Maryam Eidini, Gláucio H. Paulino|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 20.

Advanced Materials and Mechanics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 오리가미와 키리가미를 영감으로 삼아 기하학적으로 조절된 진동판 스트립을 사용하여 조절 가능한 평면 내 푸아송 비를 달성하는 새로운 종류의 전개 가능한 기계적 메타물질을 소개한다. 접힌 시트의 운동학과 다중 척도의 진동판 패턴을 결합함으로써 분석적 및 수치적 모델을 통해 음성 및 양성 푸아송 비를 입증하였으며, 전개 가능한 구조물의 설계 가능성을 넓혔다.

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.

연구 동기 및 목표

• 오리가미 접기 기법과 키리가미 기법을 융합하여 세포 구조를 가진 접힌 시트 기계적 메타물질의 새로운 종류를 개발하기 위해.
• 다중 척도의 전개 가능한 메타물질 설계를 위한 기초로 삼을 수 있는 진동판 스트립의 운동학적 거동을 탐구하기 위해.
• 이러한 물질의 기계적 거동, 특히 평면 내 푸아송 비를 분석하고 예측하기 위해.
• 기존의 미우라-오리 패턴과 같은 패턴의 설계 공간을 넓히기 위해.
• 기하학적 조절을 통해 기하학적 특성을 제어할 수 있는 확장 가능한 전개 메커니즘을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 부분적으로 접힌 진동판 스트립의 기하학적 특성을 활용하여 접힌 시트 메타물질의 운동학을 모델링하기 위해.
• 오리가미 접기 원리를 키리가미 절단과 융합하여 다중 척도의 세포 구조 패턴을 창출하기 위해.
• 진동판 스트립의 자유도가 1인 운동학 기반의 분석 모델을 개발하기 위해.
• 변형 하중 조건에서의 기계적 거동을 검증하고 탐색하기 위해 수치 시뮬레이션을 적용하기 위해.
• 기하학적 매개변수와 기계적 거동 간의 관계, 특히 푸아송 비를 맵핑하기 위해.
• 변형 가능한 척도의 진동판 구성 요소를 포함한 미우라-오리 설계 프레임워크를 확장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진동판 스트립의 운동학은 어떻게 전개 가능한 기계적 메타물질 설계에 활용될 수 있는가?
• RQ2 기하학적 매개변수는 접힌 시트 물질의 평면 내 푸아송 비를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 키리가미 통합은 오리가미 기반 메타물질의 설계 유연성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 다중 척도의 진동판 패턴은 메타물질의 기계적 조절 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 기하학적 제어를 통해 음성 및 양성 푸아송 비를 모두 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 메타물질의 종류는 기하학적 구성에 따라 평면 내 음성 및 양성 푸아송 비를 모두 나타낸다.
• 자유도가 1인 진동판 스트립의 운동학 모델은 세포 구조 패턴의 변형 거동을 정확하게 예측한다.
• 다중 척도의 진동판 배열은 기하학적 설계를 통해 기계적 반응을 조절 가능하게 한다.
• 오리가미와 키리가미의 통합은 기존의 미우라-오리 구성보다 더 넓은 설계 공간을 제공한다.
• 수치적 및 분석적 모델은 다양한 척도 수준에서 일관된 기계적 거동을 확인한다.
• 이 프레임워크는 마이크로 및 매크로 척도의 애플리케이션에 적합한 확장 가능한 전개 메커니즘을 지원한다.