Wissenschaftler verwenden Kirigami

Eine jahrhundertealte japanische Kunstform könnte Herstellungsmethoden der nächsten Generation hervorbringen, etwa Kork, der so stark ist wie Stahl.

Von Andrew Paul | Veröffentlicht am 23. August 2023, 12:00 Uhr EDT

Die alte japanische Kunst des Papierfaltens und -schneidens, bekannt als Kirigami, hat zunehmend eine neue Generation technischer Materialien inspiriert und zu auffallend schönen und widerstandsfähigen Designs geführt. Die neueste Version, mit freundlicher Genehmigung von Forschern am MIT, fügt Eigenschaften hinzu, die sowohl in Bienenwaben als auch in menschlichen Knochen vorkommen, um fortschrittliche Architekturmaterialien weiter zu stärken und möglicherweise die Widerstandsfähigkeit bestimmter Flugzeuge, Raumfahrzeuge und Roboter zu erhöhen.

Wie in einem neuen Papier beschrieben, das auf der bevorstehenden Konferenz „Computers and Information in Engineering“ der American Society of Mechanical Engineers vorgestellt wird, hat das Team am Center for Bits and Atoms (CBA) des MIT eine neuartige Methode zur Herstellung von Plattengittern entwickelt – nützliche Hochleistungsmaterialien im Automobil- und Luft- und Raumfahrtdesign. „Dieses Material ist wie Stahlkork. Es ist leichter als Kork, aber von hoher Festigkeit und hoher Steifigkeit“, erklärt Neil Gershefeld, leitender Autor des Papiers und leitender Forscher am Center for Bits and Atoms (CBA) des MIT.

Um ihren Durchbruch zu erzielen, veränderten die Ingenieure eine traditionelle Origami-Miura-Ori-Falte, die bereits bei der Herstellung von Plattengittern für „Sandwichstrukturen“ verwendet wurde, bei denen ein gewellter Kern zwischen zwei flachen Platten platziert wird. Obwohl Standard-Plattengitter-Sandwichstrukturen häufig mit langsamen, kostspieligen und schwierigen Klebe- und Schweißverfahren hergestellt werden, hat das Team die scharfen Winkel eines Miura-ori-Designs in Facetten umgewandelt, sodass Plattenbefestigungen über Nieten und Bolzen möglich sind. Dieses veränderte Design kann durch verschiedene Rillenmuster und Formen weiter angepasst werden, um spezifische Steifigkeit, Flexibilität und Festigkeit zu verbessern – ähnlich wie Zellformen, die in Knochen und Waben zu finden sind.

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Den Erkenntnissen des Teams zufolge hielten die mit Kirigami verstärkten Plattengitter dreimal so viel Kraft stand wie herkömmliche Aluminium-Wellkonstruktionen. Solche Variationen sind äußerst vielversprechend für leichte, stoßdämpfende Abschnitte, die in Autos, Flugzeugen und Raumfahrzeugen benötigt werden.

„Die Konstruktion von Plattengittern war so schwierig, dass es auf der Makroskala nur wenig Forschung gibt“, erklärte Alfonso Parra Rubio, einer der Hauptautoren der Arbeit und wissenschaftlicher Mitarbeiter am CBA. „Wir glauben, dass Falten ein Weg zur einfacheren Nutzung dieser Art von Plattenstruktur aus Metall ist.“

Um sowohl die von Kirigami inspirierten strukturellen als auch künstlerischen Fähigkeiten zu demonstrieren, entwarfen einige der Doktoranden des Teams sogar ein Trio großer, dreidimensionaler Skulpturen, die derzeit im MIT Media Lab ausgestellt sind. „Letztendlich ist das künstlerische Werk nur aufgrund der mathematischen und technischen Beiträge möglich, die wir in unseren Arbeiten zeigen“, sagte Parra Rubio. „Aber wir wollen die ästhetische Kraft unserer Arbeit nicht außer Acht lassen.“

Derzeit ist es schwierig, die neue Methode zur Herstellung von Plattengittern vor der Konstruktion zu modellieren. Zukünftig beabsichtigt das Team jedoch, benutzerfreundliche CAD-Tools zu entwickeln, um den Entwurfsprozess für Kirigami-Gitter zu rationalisieren und zu vereinfachen. Laut der Ankündigung des MIT vom Dienstag hoffen sie auch, Möglichkeiten zur Reduzierung der Rechenkosten zu untersuchen, die für die Simulation von Entwürfen vor der Produktion anfallen.

Andrew Paul ist Mitarbeiter bei Popular Science und berichtet über technische Neuigkeiten. Zuvor schrieb er regelmäßig Beiträge für The AV Club und Input und seine jüngsten Arbeiten wurden auch von Rolling Stone, Fangoria, GQ, Slate, NBC sowie McSweeney's Internet Tendency vorgestellt. Er lebt außerhalb von Indianapolis.