MIT 엔지니어들은 kirigami를 사용하여 가볍고 매우 견고한 구조를 만듭니다.


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MIT 연구원들은 종이를 자르고 접는 일본 기술인 키리가미(kirigami)를 사용하여 강성과 유연성과 같은 기계적 특성을 조정할 수 있는 초강력 경량 소재를 개발했습니다. 이러한 물질은 비행기, 자동차 또는 우주선에 사용될 수 있습니다. 이미지: 연구원 제공.

작성자: Adam Zewe | MIT 뉴스

세포질 고체는 벌집처럼 뭉쳐진 많은 세포로 구성된 물질입니다. 이러한 셀의 모양은 강성이나 강도를 포함하여 재료의 기계적 특성을 크게 결정합니다. 예를 들어, 뼈는 천연 소재로 채워져 있어 가벼우면서도 단단하고 튼튼합니다.

자연에서 발견되는 뼈와 기타 세포 고체에서 영감을 받아 인간은 동일한 개념을 사용하여 건축 자재를 개발해 왔습니다. 연구자들은 이러한 재료를 구성하는 단위 셀의 기하학적 구조를 변경함으로써 재료의 기계적, 열적, 음향적 특성을 맞춤화할 수 있습니다. 건축 자재는 충격 흡수 포장 폼부터 열 조절 라디에이터까지 다양한 응용 분야에 사용됩니다.

종이를 접고 자르는 고대 일본 기술인 키리가미(kirigami)를 사용하여 MIT 연구원들은 이전에 과학자들이 제조를 통해 달성할 수 있었던 것보다 훨씬 더 큰 규모로 판 격자(plate lattice)로 알려진 일종의 고성능 건축 재료를 만들었습니다. 이 기술을 사용하면 맞춤형 모양과 특별히 맞춤화된 기계적 특성을 지닌 금속이나 기타 재료로 이러한 구조를 만들 수 있습니다.

“이 재료는 강철 코르크와 같습니다. 코르크보다 가볍지만 강도와 견고성이 뛰어납니다.”라고 MIT CBA(Centre for Bits and Atoms) 소장이자 이 접근 방식에 대한 새로운 논문의 주저자인 Neil Gershenfeld 교수는 말합니다.

연구원들은 많은 작은 구성 요소가 형성되고, 접히고, 3D 모양으로 조립되는 모듈식 구성 프로세스를 개발했습니다. 이 방법을 사용하여 특정 하중 하에서 형태를 변형하고 유지할 수 있는 초경량, 초강력 구조물과 로봇을 만들었습니다.

이러한 구조는 가볍지만 강하고 단단하며 대규모로 대량 생산하기가 상대적으로 쉽기 때문에 건축, 항공, 자동차 또는 우주 항공 부품에 특히 유용할 수 있습니다.

논문에 Gershenfeld와 함께 공동 저자인 CBA의 연구 조교인 Alfonso Parra Rubio와 MIT의 전기 및 컴퓨터 공학 대학원생인 Klara Mundilova가 있습니다. CBA 대학원생 David Preiss와 함께; MIT의 컴퓨터 과학 교수인 Erik D. Demaine도 있습니다. 이 연구는 엔지니어링 컴퓨팅 및 정보에 관한 ASME 컨퍼런스에서 발표될 예정입니다.

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연구원들은 유연한 표면에 강철 케이블을 장력을 가한 다음 도르래와 모터 시스템에 연결하여 구조물이 어떤 방향으로든 구부러질 수 있도록 함으로써 주름진 구조물에 동력을 공급합니다. 이미지: 연구원 제공.

접어서 제조

격자와 같은 건축 재료는 종종 샌드위치 구조로 알려진 복합 재료 유형의 코어로 사용됩니다. 샌드위치 구조를 상상하려면 일련의 교차 대각선 빔이 상단 패널과 하단 패널 사이에 끼워진 격자 코어를 형성하는 비행기 날개를 생각해 보십시오. 이 격자 트러스는 강성과 강도가 높지만 매우 가볍습니다.

판 격자는 빔이 아닌 판의 3차원 교차로 만들어진 셀 구조입니다. 이러한 고성능 구조는 격자 트러스보다 훨씬 더 강하고 단단하지만 모양이 복잡하기 때문에 특히 대규모 엔지니어링 응용 분야의 경우 3D 프린팅과 같은 일반적인 기술을 사용하여 제조하기가 어렵습니다.

MIT 연구원들은 7세기 일본 예술가들의 역사를 추적하는 종이를 접고 잘라서 3차원 모양을 만드는 기술인 키리가미를 사용하여 이러한 제조 문제를 극복했습니다.

Kirigami는 부분적으로 접힌 지그재그로 접힌 판 격자를 생산하는 데 사용되었습니다. 그러나 샌드위치 구조를 만들기 위해서는 지그재그로 접힌 부분에 의해 형성된 좁은 지점에서 이 주름진 코어의 상단과 하단에 평판을 부착해야 합니다. 이를 위해서는 조립 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들고 확장이 어려울 수 있는 강력한 접착제나 용접 기술이 필요한 경우가 많습니다.

MIT 연구진은 미우라오리(Miura-ori) 패턴으로 알려진 종이접기의 일반적인 접는 패턴을 수정하여 주름진 구조의 날카로운 부분을 각면으로 변환했습니다. 다이아몬드와 같은 면은 볼트나 리벳을 사용하여 플레이트를 보다 쉽게 ​​부착할 수 있는 평평한 표면을 제공합니다.

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MIT 연구진은 미우라오리(Miura-ori) 패턴으로 알려진 종이접기의 일반적인 접는 패턴을 수정하여 주름진 구조의 날카로운 부분을 각면으로 변환했습니다. 다이아몬드와 같은 면은 볼트나 리벳을 사용하여 플레이트를 보다 쉽게 ​​부착할 수 있는 평평한 표면을 제공합니다. 이미지: 연구원 제공.

Parra Rubio는 “플레이트 트러스는 동일한 무게와 내부 구조를 유지하면서 강도와 강성 측면에서 빔 트러스를 능가합니다.”라고 말합니다. “이론적 강성과 강도의 HS 상한은 2광자 리소그래피를 사용한 나노규모 생산을 통해 달성되는 것으로 나타났습니다. 판 격자의 구성은 너무 어려워서 거시적 규모의 연구는 거의 없었다. “우리는 접는 것이 금속으로 만들어진 이러한 유형의 판 구조를 더 쉽게 활용하는 방법이라고 믿습니다.”

사용자 정의 가능한 속성

또한 연구원들이 패턴을 설계하고 구부리고 절단하는 방식을 통해 강성, 강도 및 굴곡 계수(굽힘에 저항하는 재료의 경향)와 같은 특정 기계적 특성을 조정할 수 있습니다. 그들은 이 정보와 3D 모양을 키리가미 주름을 만드는 데 사용되는 접기 맵으로 인코딩합니다.

예를 들어, 접힌 부분이 디자인된 방식에 따라 일부 셀은 압축 시 모양을 유지하도록 모양이 지정될 수 있고 다른 셀은 구부러지도록 수정될 수 있습니다. 이러한 방식으로 연구자들은 압축 시 구조의 다양한 영역이 변형되는 방식을 정확하게 제어할 수 있습니다.

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

로봇과 같은 더 큰 구조물을 만들기 위해 연구원들은 모듈식 조립 공정을 도입했습니다. 그들은 더 작은 접힘 패턴을 대량 생산하고 이를 초경량, 초강력 3D 구조로 조립합니다. 구조가 작을수록 주름이 적어 제조 공정이 단순화됩니다.

연구진은 적응된 Miura-ori 패턴을 사용하여 원하는 모양과 구조적 특성을 생성하는 접는 패턴을 만듭니다. 그런 다음 Zund 절단 테이블이라는 독특한 기계를 사용하여 3D 모양으로 구부릴 수 있는 평평한 금속 패널을 만듭니다.

“자동차나 비행기 같은 것을 만들려면 툴링에 많은 투자를 해야 합니다. 이 제조 공정은 3D 프린팅과 같은 도구 없이 수행됩니다. 그러나 3D 프린팅과 달리 우리의 프로세스는 기록적인 재료 특성에 대한 한계를 설정할 수 있습니다.”라고 Gershenfeld는 말합니다.

이 방법을 사용하여 그들은 압축 강도가 62킬로뉴턴 이상이지만 무게는 평방 미터당 90kg에 불과한 알루미늄 구조물을 생산했습니다. (코르크의 무게는 평방미터당 약 100kg입니다.) 그 구조는 매우 견고하여 일반적인 알루미늄 주름의 3배에 달하는 힘을 견딜 수 있었습니다.

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연구진은 그들의 방법을 사용하여 압축 강도가 62킬로뉴턴 이상이지만 무게는 평방 미터당 90kg에 불과한 알루미늄 구조물을 생산했습니다. 이미지: 연구원 제공.

이 다재다능한 기술은 강철 및 복합재와 같은 다양한 재료에 사용될 수 있으므로 비행기, 자동차 또는 우주선의 경량 충격 흡수 부품 생산에 매우 적합합니다.

그러나 연구자들은 그들의 방법이 모델링하기 어려울 수 있다는 것을 발견했습니다. 따라서 앞으로는 이러한 키리가미 판 격자 구조를 위한 사용하기 쉬운 CAD 설계 도구를 개발할 계획입니다. 또한 그들은 원하는 속성을 생성하는 설계를 시뮬레이션하는 데 드는 계산 비용을 줄이는 방법을 탐색하려고 합니다.

“Kirigami 주름은 건축 건설에 큰 잠재력을 가지고 있습니다”라고 제조용 설계 및 설치 회사 SumPoint의 공동 창립자이자 Zahner의 전 혁신 및 R&D 부사장인 James Coleman MArch ’14, SM ’14는 말합니다. 이 작품에 참여해 보세요. “복잡한 건축 프로젝트를 제작한 경험에 따르면 대규모 곡선 및 이중 곡선 요소를 구성하는 현재 방법은 재료 집약적이고 낭비적이므로 대부분의 프로젝트에서 실용적이지 않은 것으로 간주됩니다. 저자의 기술은 항공우주 및 자동차 산업에 새로운 솔루션을 제공하지만, 저자의 셀 기반 접근 방식도 건축 환경에 상당한 영향을 미칠 수 있다고 믿습니다. 특정 특성을 지닌 다양한 판 격자 형상을 제작할 수 있는 능력을 통해 더 적은 재료로 더 높은 성능과 표현력을 갖춘 건물을 만들 수 있습니다. 무거운 강철 및 콘크리트 구조물은 안녕, 가벼운 격자는 안녕!

파라 루비오(Parra Rubio), 문딜로바(Mundilova) 및 기타 MIT 대학원생들도 이 기술을 사용하여 MIT 미디어 랩에 전시된 알루미늄 복합재로 세 개의 대규모 접힌 예술 작품을 만들었습니다. 각 예술 작품의 길이는 수 미터이지만 구조는 몇 미터 밖에 걸리지 않았습니다. 만드는 데 몇 시간.

“결국 예술 작품은 우리 기사에서 보여주는 수학과 공학적 기여 덕분에 가능합니다. 하지만 우리는 우리 작품의 미학적 힘을 무시하고 싶지 않습니다.”라고 Parra Rubio는 말합니다.

이 작업은 비트 및 원자 연구 컨소시엄 센터, AAUW 국제 펠로우십 및 GWI 페이 웨버 펠로우십의 자금 지원을 받았습니다.

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