Micron-scale origami architected metamaterial

Micron-scale origami architected metamaterial
Glaucio Paulino 2020

Collaborators: Zhaowen Lin, Larissa S. Novelino, Heming Wei, Nicolas A. Alderete, Horacio D. Espinosa, Sridhar Krishnaswamy

The inherent foldability of origami structures enlarges the material design space with remarkable properties such as auxeticity and high deformation recoverability and deployability, the latter being key in applications where spatial constraints are pivotal. This work integrates the results of the design, 3D direct laser writing fabrication (using two-photon lithography), and in situ scanning electron microscopic mechanical characterization of microscale origami metamaterials, based on the multimodal assembly of Miura-Ori tubes. The origami-architected metamaterials, achieved by means of microfabrication, display remarkable mechanical properties: stiffness and Poisson’s ratio tunable anisotropy, large degree of shape recoverability, multistability, and even reversible auxeticity whereby the metamaterial switches Poisson’s ratio sign during deformation. This work paves the way toward harnessing the power of origami engineering at small scales, e.g. micron-scale origami. —Glaucio Paulino

[日本語訳] 折紙構造の固有の可折性は、オーゼティック性や高い変形回復性および展開性など、顕著な特性を備えた材料設計空間を拡大します。その中でも、展開性は、空間の制約が重要なアプリケーションで鍵となります。この研究は、ミウラ折りチューブの多モード組み立てに基づくマイクロスケールの折紙メタマテリアルの設計、3Dダイレクトレーザーライティング製造（二光子リソグラフィを使用）、および走査電子顕微鏡によるその場での力学的特性評価の測定の結果を統合しています。このマイクロファブリケーションを用いて達成された折紙構造のメタマテリアルは、驚異的な力学特性を示します。剛性およびポアソン比の調整可能な異方性、大きな形状回復度、多安定性、さらに変形中にポアソン比の符号を切り替える可逆オーゼティック性を備えています。この研究は、小さなスケール、例えばマイクロンスケールで折紙工学の力を利用する道を開いています。—Glaucio Paulino

本構造は、ミウラ折りチューブの滑り鏡像配置によって組まれたセル構造「Zipper Coupled Tube」をマイクロスケールでファブリケーションしたものです[Filipov et al. 2015]。この組み合わせ構造は、容易に折りたたみ変形をするが、それ以外の変形に対しては400倍の剛性を持つ「かたくてやわらかい」性質があります。この性質により材料全体が同時に変形をして機能し、メタマテリアルとしての性質を持ちます。 — 舘知宏