자연의 뼈와 기타 세포 고체에서 영감을 받아 인간은 동일한 개념을 사용하여 건축 자재를 개발해 왔습니다. 연구자들은 이러한 재료를 구성하는 셀의 기하학적 구조를 변경하여 재료의 기계적, 열적 또는 음향 특성을 맞춤화할 수 있습니다. 건축 자재는 충격 흡수 포장 폼부터 열 조절 라디에이터까지 광범위한 응용 분야에 사용됩니다.

MIT 연구원들은 일본의 키리가미(kirigami)와 종이접기 기술인 키리가미(Kirigami)를 사용하여 강성 및 유연성과 같은 기계적 특성을 조정할 수 있는 초강력 경량 소재를 개발했습니다. 이러한 재료는 항공기, 자동차 또는 우주선에 사용될 수 있습니다. 이미지 출처: 연구진 제공


MIT 연구원들은 주름진 구조의 날카로운 부분이 패싯이 되도록 일반적인 종이접기 주름 패턴을 수정했습니다. 다이아몬드의 면과 같은 이러한 면은 볼트나 리벳으로 플레이트를 보다 쉽게 ​​고정할 수 있는 평평한 표면을 제공합니다. 이미지 출처: 연구진 제공


MIT 연구원들은 고대 일본의 종이접기 기술인 키리가미(Kirigami)를 사용하여 과학자들이 이전에 적층 제조를 통해 달성할 수 있었던 것보다 훨씬 더 큰 규모로 격자라는 고성능 구조 재료를 만들었습니다. 이 기술을 사용하면 맞춤형 모양과 특별히 맞춤화된 기계적 특성을 지닌 금속이나 기타 재료로 이러한 구조를 만들 수 있습니다.

MIT CBA(Center for Bits and Atoms) 소장이자 이 접근법에 대한 새로운 논문의 수석 저자인 Neil Gershenfeld 교수는 "이 재료는 강철 코르크와 같습니다. 코르크보다 가볍지만 강도와 강성이 높습니다."라고 말했습니다.

연구진은 많은 작은 부품을 형성하고 접고 3차원 모양으로 조립하는 모듈식 제조 공정을 개발했습니다. 이 접근 방식을 사용하여 그들은 특정 하중에서 변형되고 모양을 유지할 수 있는 초경량, 초강력 구조물과 로봇을 만듭니다.


연구원들은 유연한 표면에 강철 와이어를 장력을 가한 다음 풀리와 모터 시스템에 연결하여 어느 방향으로든 구부릴 수 있도록 함으로써 주름진 구조를 작동시켰습니다. 이미지 출처: 연구진 제공

이러한 구조는 가볍고 강하며 견고하며 상대적으로 대량 생산이 쉽기 때문에 건설, 항공기, 자동차 또는 항공우주 부품에 특히 유용합니다.

또한 Gershenfeld와 함께 공동 저자인 CBA 연구 조교 Alfonso Parra Rubio와 MIT 전기 공학 및 컴퓨터 과학 대학원생 Klara Mundilova, CBA 대학원생 David Preiss 및 MIT 컴퓨터 과학 교수 Erik D. Demaine도 함께 논문을 작성했습니다. 이번 연구 결과는 미국 기계공학회 공학 컴퓨터 및 정보 컨퍼런스에서 발표됐다.

격자와 같은 구조 재료는 종종 샌드위치 구조로 알려진 복합 재료의 핵심으로 사용됩니다. 샌드위치 구조를 구상하려면 일련의 교차하는 대각선 빔이 상단 패널과 하단 패널 사이에 끼워진 격자 코어를 형성하는 비행기 날개를 상상해 보십시오. 이 트러스 구조는 높은 강성과 강도를 가지면서도 무게는 매우 가볍습니다.

패널 격자는 빔이 아닌 판의 3차원 교차로 구성된 벌집 구조입니다. 이러한 고성능 구조물의 강도와 강성은 트러스 격자의 강도와 강성을 능가하지만 복잡한 모양으로 인해 3D 프린팅과 같은 일반적인 기술을 사용하여 제작하는 것이 어렵습니다. 특히 대규모 엔지니어링 응용 분야에서는 더욱 그렇습니다.

MIT 연구원들은 7세기 일본 예술가들이 사용했던 3D 모양을 만들기 위해 종이를 접고 자르는 기술인 텅 페이퍼(tung paper)를 사용하여 이러한 제조 문제를 극복했습니다.


연구진은 자신의 방법을 사용하여 압축 강도가 62킬로뉴턴 이상이지만 무게는 평방 미터당 90kg에 불과한 알루미늄 구조를 만들었습니다. 이미지 출처: 연구진 제공

Kirigami는 부분적으로 접힌 지그재그 주름을 활용하여 패널을 만드는 데 사용되었습니다. 그러나 샌드위치 구조를 만들려면 평평한 시트를 주름진 코어의 상단과 하단에 부착한 다음 헤링본 주름으로 인해 생성된 좁은 지점에 부착해야 합니다. 이를 위해서는 강력한 접착제나 용접 기술이 필요한 경우가 많아 조립 속도가 느리고 비용이 많이 들고 확장이 어렵습니다.

MIT 연구원들은 주름진 구조의 날카로운 부분이 패싯이 되도록 일반적인 종이접기 주름 패턴을 수정했습니다. 다이아몬드의 면과 같은 이러한 면은 볼트나 리벳으로 플레이트를 보다 쉽게 ​​고정할 수 있는 평평한 표면을 제공합니다.

ParraRubio는 "판 격자는 무게와 내부 구조가 일정하게 유지되는 동시에 강도와 강성 측면에서 빔 격자보다 성능이 뛰어납니다."라고 말했습니다. "나노 규모 생산을 위해 2광자 리소그래피를 사용함으로써 이론적 강성과 강도가 H-S 상한에 도달했습니다. 판형 격자는 구성하기가 매우 어려우므로 거시적 규모에서 제대로 연구되지 않았습니다. 우리는 접힘이 금속으로 만들어진 판형 구조를 더 쉽게 활용할 수 있게 만드는 경로라고 믿습니다."

또한 연구원들이 패턴을 설계하고 접고 절단하는 방식을 통해 강성, 강도 및 굴곡 계수(굽힘에 저항하는 재료의 경향)와 같은 특정 기계적 특성을 조정할 수 있었습니다. 그들은 이 정보를 3차원 모양과 함께 주름 지도로 인코딩하여 젤리 같은 종이 잔물결을 만드는 데 사용했습니다.

예를 들어, 주름의 디자인 방식에 따라 일부 셀은 압축해도 모양이 유지되도록 모양을 만들 수 있고 다른 셀은 구부러지도록 수정할 수 있습니다. 이러한 방식으로 연구원들은 압축 시 구조의 다양한 영역이 변형되는 방식을 정확하게 제어할 수 있습니다.

구조의 유연성을 제어할 수 있기 때문에 이러한 주름은 로봇이나 움직이고 비틀리고 구부러지는 부품이 있는 기타 동적 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

로봇과 같은 대형 구조물을 만들기 위해 연구자들은 모듈식 조립 공정을 사용합니다. 그들은 더 작은 주름 패턴을 대량 생산하고 이를 초경량, 초강력 3차원 구조로 조립합니다. 구조가 작을수록 주름이 적어 제조 공정이 단순화됩니다.

수정된 Miura-ori 패턴을 사용하여 연구원들은 원하는 모양과 구조적 특성을 생성하는 주름 패턴을 만들었습니다. 그런 다음 Zund 절단 테이블이라는 독특한 기계를 사용하여 평평한 금속 시트를 잘라내어 3차원 모양으로 접었습니다.

"자동차나 비행기와 같은 제품을 만들려면 금형에 많은 투자를 해야 합니다. 이 제조 공정에는 3D 프린팅과 같은 도구가 필요하지 않습니다. 하지만 3D 프린팅과 달리 우리 공정은 재료 특성 기록의 한계를 설정할 수 있습니다."라고 Gershenfeld는 말했습니다.

그들의 방법을 사용하여 그들은 압축 강도가 62킬로뉴턴 이상이지만 무게는 평방 미터당 90kg에 불과한 알루미늄 구조를 만들었습니다. (코르크의 무게는 평방미터당 약 100kg입니다.) 구조가 매우 튼튼하고 일반 알루미늄 주름의 3배에 달하는 힘을 견딜 수 있습니다.

이 다재다능한 기술은 강철 및 복합재를 포함한 광범위한 재료에 사용될 수 있으므로 항공기, 자동차 또는 우주선의 경량 충격 흡수 부품을 생산하는 데 이상적입니다.

그러나 연구자들은 그들의 접근 방식이 모델링하기 어려울 수 있다는 것을 발견했습니다. 따라서 향후 이러한 그리드 구조를 위한 사용자 친화적인 CAD 설계 도구를 개발할 계획입니다. 또한 그들은 설계에 필요한 성능을 시뮬레이션하는 데 드는 계산 비용을 줄이는 방법을 모색하기를 희망합니다.

파라-루비오(Parra-Rubio), 몬딜로바(Mondilova) 및 기타 MIT 대학원생들도 이 기술을 사용하여 알루미늄 복합재로 세 개의 대형 접힌 예술 작품을 만들었으며 이 작품은 MIT 미디어 랩에 전시되어 있습니다. 각 조각의 길이는 수 미터에 달하지만 구조물을 만드는 데는 몇 시간밖에 걸리지 않았습니다.

"궁극적으로 예술 작품은 우리가 논문에서 입증한 수학적, 공학적 기여 때문에 가능합니다. 그러나 우리는 또한 우리 작품의 미적 힘을 간과하고 싶지 않습니다"라고 ParraRubio는 말했습니다.