[论文解读] Origami-inspired Deployable Mechanical Metamaterials

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

Advanced Materials and Mechanics被引用 1

一句话总结

本文提出了一类受折纸和剪折艺术启发的新型可展开机械超材料，通过几何调制的锯齿条带实现可调的面内泊松比。通过结合折叠薄片运动学与多尺度锯齿图案，研究利用解析与数值模型展示了负泊松比与正泊松比，拓展了可展开结构的设计可能性。

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.

研究动机与目标

• 通过整合折纸折叠与剪折技术，开发一类新型的细胞状折叠薄片机械超材料。
• 研究锯齿条带的运动学行为，作为设计多尺度可展开超材料的基础。
• 分析并预测这些材料的力学响应，特别是其面内泊松比。
• 拓展现有图案（如Miura-ori）的设计空间，以适用于机械超材料的更广泛应用。
• 通过几何调制实现可扩展的展开机制，并具备可控的力学性能。

提出的方法

• 利用部分折叠锯齿条带的几何特性，建立折叠薄片超材料的运动学模型。
• 将折纸折叠原理与剪折切割相结合，构建多尺度的细胞状图案。
• 基于锯齿条带的一自由度运动学，建立解析模型。
• 应用数值模拟验证并探索材料在形变下的力学行为。
• 绘制几何参数与力学响应之间的关系，特别是泊松比。
• 将Miura-ori设计框架扩展，以包含可变尺度的锯齿构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用锯齿条带的运动学特性设计可展开的机械超材料？
• RQ2 几何参数在决定折叠薄片材料面内泊松比方面起什么作用？
• RQ3 剪折艺术的整合如何提升基于折纸的超材料的设计灵活性？
• RQ4 多尺度锯齿图案如何影响超材料的力学可调性？
• RQ5 所提出的框架能否通过几何控制实现负泊松比与正泊松比？

主要发现

• 所提出的超材料类别可根据几何构型表现出负泊松比与正泊松比。
• 一自由度锯齿条带的运动学模型能准确预测细胞图案的变形行为。
• 多尺度锯齿排列通过几何设计实现了可调的力学响应。
• 将剪折与折纸结合，拓展了传统Miura-ori构型之外的设计空间。
• 数值与解析模型证实了在不同尺度水平下力学行为的一致性。
• 该框架支持适用于微尺度与宏观尺度应用的可扩展展开机制。