Исследования, проведенные в Университете Мичигана, смоделировали, как различные структуры оригами, изготовленные из трапециевидных субъединиц (i), отвечали на такие стрессы, как сжатие (II) и растяжение (III). Кредит: Природная связь (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-57089-x
Оригами — искусство бумаги, которое возникло в Японии столетия назад — может открыть новую границу в инновационных материалах благодаря исследованиям, возглавляемым в Мичиганском университете.
Исследование опубликовано в журнале Природная связьПолем
Как искусство, оригами использует простые методы складывания для создания сложных дизайнов. Теперь исследователи изучают эту технику как основу для материалов следующего поколения, которые предсказуемо деформируются и «сложены» под правильными силами. Такие материалы будут полезны в самых разных применениях, включая кроссовки, стенты сердца и крылья самолета.
«За последнее десятилетие Origami получила большое внимание благодаря своей способности развертывать или трансформировать структуры», — сказал Джеймс Макинерни, ведущий автор нового исследования, который выполнил работу в качестве постдокторанта в Мичиганском университете. Макинерни в настоящее время является научным сотрудником Национального исследовательского совета в исследовательской лаборатории ВВС.
«Наша команда задавалась вопросом, как можно использовать различные типы складок для контроля того, как материал деформируется, когда к нему применяются разные силы и давления».
Макинерни и его коллеги представили новый способ моделирования складок, чтобы лучше понять, как они могут контролировать свойства материала, что является обманчиво сложной проблемой.
В принципе, идея сродни тому, как складывается складывание картонного складывания более предсказуемо, чем нетронутая часть, которая может пристегнуться любым количеством способов под давлением. Таким образом, вводя складки, исследователи могут настроить, как материалы реагируют на силу. По словам Манерни, заявки на этот тип контроля огромны.
«Существует множество сценариев, начиная от проектирования зданий, самолетов и военно-морских судов до упаковки и доставки товаров, где, как правило, компромисс между расширением возможностей несущих нагрузки и повышением общего веса»,-сказал Макинерни. «Наша конечная цель состоит в том, чтобы улучшить нагрузочные конструкции, добавив складки, вдохновленные оригами-без добавления веса».
Исследование также включает в себя Zeb Rocklin, докторант Макинерни в Технологическом институте Джорджии; Xiaoming Mao, профессор физики в Мичиганском университете; Глаусио Паулино из Принстонского университета; и Диего Миссрони из Университета Тренто.
«Вообще говоря, этот оригами является примером« метаматериалов » — инженерных материалов, где новые свойства достигаются путем программирования структуры вместо химических ингредиентов», — сказал Мао. «Геометрия складывания — на практике, которая достигает лист бумаги с совершенно новыми свойствами».
Ниже сгиба
Хотя плоские материалы, такие как кусочки бумаги, достаточно просты для концептуализации, их поведение при силе является сложным.
«Если я потянут на любой конец листа бумаги, он солидно — он не разделяется», — сказал Роклин, доцент физики в Georgia Tech. «Но это также гибко. Он может сломать и волноваться в зависимости от того, как я его двигаю. Это совсем другое поведение, чем то, что мы могли бы увидеть в обычном твердости, и очень полезно».
Введение складки может «программировать» материалы, чтобы вести себя определенным образом, но определение того, как и когда делать эти складки — это проблема, даже для современной физики.
«С этими материалами часто трудно предсказать, что произойдет — как материал будет деформироваться под давлением, потому что они могут деформироваться разными способами», — сказал Роклин.
«Традиционные физические методы не могут решить эту проблему, поэтому мы все еще придумываем новые способы охарактеризовать структуры в 21 -м веке».
При рассмотрении вдохновленных оригиналом материалы физики начинают с плоского листа, который тщательно смягчен, чтобы создать определенную трехмерную форму. Но метод ограничен. Исследователи ранее только смоделировали складывание на основе параллелограммов, в которой используются такие формы, как квадраты и прямоугольники, что позволяет ограничить деформацию.
Итак, Роклин, Макинерни и их коллеги обратились к трапеции, у которых есть только один набор параллельных сторон. Внедрение этих более переменных форм делает этот тип складки более сложным для моделирования, но более универсальным.
«Из наших моделей и физических испытаний мы обнаружили, что у трапеции есть совершенно другой класс ответов», — сказал Макинерни. И эти ответы приводят к новой функциональности, добавил он.
Дизайн обладал способностью изменить свою форму двумя различными способами: «дыхание», расширяя и сокращаясь, равномерно, и «сдвиг», деформируя в круглосуточном движении.
Удивительно, но команда также обнаружила, что часть поведения в оригами на основе параллелограммов перенесена на их трапеции оригами, намекая на некоторые особенности, которые могут быть универсальными по разным дизайнам.
«Хотя наше исследование является теоретическим, эти идеи могут дать нам больше возможностей для того, как мы можем развернуть эти структуры и использовать их», — сказал Роклин.
«Это очень сложная проблема, но биология и природа полны умных твердых веществ, включая наши собственные тела, это деформация конкретными, полезными способами, когда это необходимо. Это то, что мы пытаемся повторить с оригами».
Больше информации:
Джеймс П. Макинерни и др. Природная связь (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-57089-x
Информация журнала:
Природная коммуникация, предоставленная Мичиганским университетом
Цитирование: Оригами указывает на новые материалы, которые «дышат» и повернуты по команде (2025, 6 мая), полученные 6 мая 2025 года из этого документа, подвержены авторским праву. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
