Kirigami est une forme d'art japonaise traditionnelle qui implique du papier de coupe et de pliage pour produire des structures ou des objets complexes en trois dimensions (3D). Au cours des dernières décennies, cette pratique créative a également été appliquée dans le contexte de la recherche en physique, en ingénierie et en science des matériaux pour créer de nouveaux matériaux, appareils et même des systèmes robotiques.
Des chercheurs de l'Université Sichuan et de l'Université McGill ont récemment conçu une nouvelle approche pour l'ingénierie inverse de Kirigami, qui ne reposait pas sur des outils de calcul avancés et des algorithmes numériques. Cette nouvelle méthode, décrite dans un article publié dans Lettres d'examen physiquepourrait simplifier la conception de Kirigami complexe pour une large gamme d'applications réelles.
« Ce travail est une extension naturelle de nos travaux précédents sur Kirigami », a déclaré à Issues.fr Damiano Pasini, auteur principal correspondant du journal.
« Le premier auteur, Chuan Qiao, est un ancien étudiant de doctorat. Au cours de son doctorat sous ma supervision, Chuan a travaillé sur l'interaction de la claquement des coquilles minces et le morphing anisotrope de Kirigami. L'étude de cette dernière a conduit à un article publié l'année dernière Matériaux avancésoù nous avons adopté une approche cellulaire unitaire pour étudier la déformation d'un kirigami fait d'unités rotatives avec des triangles de forme arbitrairement. «
Dans leurs études précédentes, les chercheurs ont pu mieux comprendre le rôle que les paramètres géométriques des modèles de fente (par exemple, les angles internes et les longueurs) jouent dans le déploiement anisotrope de Kirigami. Pour ce faire, ils ont évalué les changements de forme observés dans le déploiement final de Kirigami en examinant la longueur des côtés et des angles internes des unités triangulaires.
« Cela a déclenché un ensemble de questions interdépendantes, telles que: comment un kirigami se déformait-il si nous changeons simplement la forme entière de l'unité rotative dans son intégralité, par opposition à la modification de ses constituants géométriques individuellement, comme nous l'avons fait dans le travail précédent? Kirigami? » dit Pasini.
« Avec ces questions à l'esprit, notre objectif est ensuite devenu double: dévoiler la relation fondamentale entre la forme des unités rotatives et la forme du Kirigami déployé et exploiter une telle relation pour la conception de Kirigami qui renonce à l'utilisation de méthodes numériques assez sophistiquées actuellement utilisées dans la littérature. »
Dans leur nouvel article, Pasini et ses collègues ont montré qu'il existe une relation simple entre la souche appliquée à une unité rotative (γ*max) et la déformation de cisaillement d'un triangle déployé kirigami (γmax). Leur méthode proposée pour concevoir inversement Kirigami exploite cette relation simple.
« La notion clé est que la déformation de cisaillement appliquée aux unités rotatives initiales, qui rétrécissent horizontalement lorsque nous passons du croquis gauche vers le milieu, est dans la direction opposée de la souche de cisaillement du triangle déployé Kirigami, qui, en revanche, s'étend horizontalement (une fois qu'il déploie) », a déclaré Pasini.
« Cette perspicacité peut être exploitée pour la conception inverse de Kirigami. Par un simple réglage géométrique de la forme des unités rotatives avec des souches de cisaillement, nous pouvons obtenir un déploiement sur cible. La seule opération de base dont nous avons besoin est d'utiliser une carte de préservation de la zone pour appliquer la contrainte de cisaillement. »
La nouvelle approche pour l'ingénierie de Kirigami introduite par cette équipe de chercheurs nécessite trois ingrédients clés. Ce sont la forme contractée des unités rotatives, la forme d'un kirigami déployé et une carte préservante de la zone décrivant la transition du Kirigami déployé à sa forme non déployée (c'est-à-dire contractée).
« Avec les ingrédients ci-dessus, la souche de cisaillement du triangle déployé kirigami peut être programmée en appliquant une souche de cisaillement à la forme des unités rotatives dans la direction opposée », a déclaré Pasini. « Notre méthode peut désormais renoncer à tous les calculs numériques et programmer la déformation de cisaillement d'un spécimen de kirigami à volonté de manière rapide et polyvalente. »
Pour démontrer le potentiel de leur méthode de conception inverse, Pasini et ses collègues l'ont utilisé pour produire trois types différents de cibles de morphing, à savoir la forme contractée, la forme déployée et les trajectoires internes des unités rotatives à Kirigami.
Cette étude récente montre une relation fondamentale entre la déformation de Kirigami et la forme de leurs unités rotatives, qui peuvent être utilisées pour concevoir ces structures. La méthode de conception géométrique de l'équipe pourrait bientôt être utilisée pour créer une large gamme de conceptions de Kirigami qui pourraient aider à relever des défis d'ingénierie complexes.
« Ce travail apporte des informations sur les règles du sol dans la matière de morphing avec des unités rotatives et offre une voie géométrique intuitive de première main pour la conception rapide de Kirigami complexe », a ajouté Pasini. « Des observations similaires peuvent également être attirées en inspectant le morphing du kirigami quadrilatéral, montrant ainsi la promesse de ce travail pour décrire d'autres modèles de kirigami. »
