Siêu vật liệu Origami cho thấy khả năng hỗ trợ thuận nghịch kết hợp với khả năng phục hồi biến dạng

Nghiên cứu mới của một nhóm liên ngành, bao gồm Horacio Espinosa và Sridhar Krishnaswamy của Northwestern Engineering và Glaucio Paulino của Viện Công nghệ Georgia, nhằm mục đích thúc đẩy việc tạo ra và hiểu biết về các cấu trúc gấp khúc như vậy cho các ứng dụng khác nhau, từ “rô bốt mềm”, thiết bị y tế đến máy thu năng lượng.

Lấy cảm hứng từ origami, siêu vật liệu cơ học - các cấu trúc nhân tạo với các đặc tính cơ học được xác định bởi cấu trúc của chúng chứ không phải thành phần của chúng - đã thu hút được sự chú ý đáng kể vì tiềm năng mang lại các cấu trúc và vật liệu có thể triển khai và có thể điều chỉnh cao.

Điều chưa được biết là cấu trúc nào tích hợp khả năng phục hồi hình dạng, đặc tính cơ học và tính hỗ trợ thuận nghịch - có nghĩa là kích thước của chúng có thể tăng và sau đó giảm khi bị ép dần. Mặc dù một số cấu trúc origami 3D đã được tạo ra thông qua quá trình sản xuất phụ gia, nhưng việc đạt được các đặc tính lý tưởng vẫn là một thách thức.

Sử dụng các hiệu ứng kích thước nano cho một thiết kế origami, nhóm các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật McCormick và Georgia Tech đã tìm cách trả lời câu hỏi đó. Họ đã sản xuất siêu vật liệu nhỏ, 3D, được chế tạo bằng giấy origami, giữ lại 1 cách hoàn hảo những đặc tính tốt nhất mà không cần dùng đến đồ tạo tác để có thể gấp.

Espinosa, giáo sư về sản xuất cho biết: “Các cấu trúc được tạo thành siêu vật liệu kiến ​​trúc origami nhỏ nhất được chế tạo thể hiện sự kết hợp chưa từng có của các đặc tính cơ học và kỹ thuật về môi trường”.

"Công trình của chúng tôi đã chứng minh thiết kế hợp lý của siêu vật liệu, với khả năng phục hồi hình dạng ở mức độ lớn, độ cứng và biến dạng phụ thuộc vào hướng, có thể sử dụng các thiết kế origami và khả năng gấp origami cho phép trạng thái mà vật liệu ban đầu nở ra và sau đó co lại theo chiều ngang (hỗ trợ thuận nghịch)". Espinosa, người từng là giám đốc chương trình sau đại học Cơ học Ứng dụng và Lý thuyết của Northwestern cho biết thêm. 

"Các đặc tính như vậy hứa hẹn sẽ ảnh hưởng đến một số ứng dụng trên nhiều lĩnh vực bao gồm quy mô nano, vi mô và vĩ mô, tận dụng khả năng mở rộng nội tại của các tổ hợp origami".

Paulino, Chủ tịch tại Trường Kỹ thuật Dân dụng và Môi trường Georgia Tech nói rằng: “Được hướng dẫn bởi hình học, việc thu nhỏ của siêu vật liệu origami rất thú vị và bởi tính đa chức năng chưa từng có mà nó mang lại một cách tự nhiên”.

Krishnaswamy, giáo sư kỹ thuật cơ khí cho biết: “Giống như tự nhiên đã tạo ra một loạt các cấu trúc chỉ bằng một vài hệ thống vật liệu, origami cho phép chúng tôi thiết kế các thành phần cấu trúc đàn hồi với các đặc tính vật lý riêng biệt theo các hướng khác nhau”.

"Chúng ta có thể hình dung ra các vi rô bốt mềm dựa trên origami dọc theo một số hướng để mang tải trọng trong khi vẫn duy trì các mức độ linh hoạt khác cho chuyển động. Siêu vật liệu Origami khai thác khả năng hỗ trợ thuận nghịch và biến dạng lớn có thể dẫn đến các ứng dụng đa chức năng, từ dụng cụ vi phẫu đến thiết bị y tế, máy thu năng lượng", giáo sư Krishnaswamy chia sẻ.

“Có một vài khả năng. Một là chế tạo các cấu trúc origami bằng vật liệu gốm và kim loại, trong khi vẫn bảo toàn ở kích thước nano, để khai thác các hiệu ứng kích thước trong phản ứng cơ học của cấu trúc dẫn đến tiêu tán năng lượng vượt trội trên một đơn vị thể tích và khối lượng. Hai là sử dụng polyme áp điện, có thể tạo ra máy thu năng lượng có thể điều khiển các phương thức cảm biến hoặc các công cụ vi phẫu năng lượng", giáo sư Espinosa khẳng định.

Hoàng Nam dịch

Theo ScienceDaily