प्रकृति में हड्डियों और अन्य सेलुलर ठोस पदार्थों से प्रेरित होकर, मनुष्यों ने निर्माण सामग्री विकसित करने के लिए उसी अवधारणा का उपयोग किया है। इन सामग्रियों को बनाने वाली कोशिकाओं की ज्यामिति को बदलकर, शोधकर्ता सामग्री के यांत्रिक, थर्मल या ध्वनिक गुणों को अनुकूलित कर सकते हैं। भवन निर्माण सामग्री का उपयोग शॉक-अवशोषित पैकेजिंग फोम से लेकर गर्मी-विनियमन रेडिएटर तक कई प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है।
किरिगामी और ओरिगेमी की जापानी कला किरिगामी का उपयोग करते हुए, एमआईटी शोधकर्ताओं ने कठोरता और लचीलेपन जैसे ट्यून करने योग्य यांत्रिक गुणों के साथ अल्ट्रा-मजबूत, हल्के सामग्री विकसित की है। इन सामग्रियों का उपयोग विमान, कारों या अंतरिक्ष यान में किया जा सकता है। छवि स्रोत: शोधकर्ताओं द्वारा प्रदान किया गया
एमआईटी शोधकर्ताओं ने एक सामान्य ओरिगेमी क्रीज पैटर्न को संशोधित किया ताकि नालीदार संरचना के तेज बिंदु पहलू बन जाएं। ये पहलू, हीरे के पहलुओं की तरह, एक सपाट सतह प्रदान करते हैं जिस पर प्लेट को बोल्ट या रिवेट्स के साथ अधिक आसानी से बांधा जा सकता है। छवि स्रोत: शोधकर्ताओं द्वारा प्रदान किया गया
एमआईटी के शोधकर्ताओं ने ओरिगेमी और किरिगामी की प्राचीन जापानी कला किरिगामी का उपयोग जाली नामक एक उच्च-प्रदर्शन संरचनात्मक सामग्री बनाने के लिए किया है, जो कि वैज्ञानिकों द्वारा पहले से ही एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के माध्यम से हासिल किए गए पैमाने से कहीं अधिक है। यह तकनीक उन्हें अनुकूलित आकार और विशेष रूप से तैयार यांत्रिक गुणों के साथ धातु या अन्य सामग्रियों से इन संरचनाओं को बनाने की अनुमति देती है।
एमआईटी के सेंटर फॉर बिट्स एंड एटम्स (सीबीए) के निदेशक और इस दृष्टिकोण पर एक नए पेपर के वरिष्ठ लेखक प्रोफेसर नील गेर्शेनफेल्ड ने कहा, "यह सामग्री स्टील कॉर्क की तरह है। यह कॉर्क से हल्की है लेकिन इसमें उच्च शक्ति और उच्च कठोरता है।"
शोधकर्ताओं ने एक मॉड्यूलर विनिर्माण प्रक्रिया विकसित की है जिसमें कई छोटे हिस्से बनाए जाते हैं, मोड़े जाते हैं और त्रि-आयामी आकार में इकट्ठे किए जाते हैं। इस दृष्टिकोण का उपयोग करके, वे अल्ट्रा-लाइट, अल्ट्रा-मजबूत संरचनाएं और रोबोट बनाते हैं जो विशिष्ट भार के तहत अपने आकार को विकृत और बनाए रख सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने अनुरूप सतहों पर स्टील के तारों को खींचकर और फिर उन्हें पुली और मोटरों की एक प्रणाली से जोड़कर नालीदार संरचना को सक्रिय किया, जिससे वे किसी भी दिशा में झुक सकें। छवि स्रोत: शोधकर्ताओं द्वारा प्रदान किया गया
क्योंकि ये संरचनाएं हल्की, मजबूत, कठोर और बड़े पैमाने पर उत्पादन करने में अपेक्षाकृत आसान हैं, वे विशेष रूप से निर्माण, विमान, ऑटोमोटिव या एयरोस्पेस घटकों में उपयोगी हैं।
गेर्शेनफेल्ड के साथ पेपर लिखने वाले सह-प्रथम लेखक, सीबीए अनुसंधान सहायक अल्फोंसो पारा रुबियो और एमआईटी इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान स्नातक छात्र क्लारा मुंडिलोवा, साथ ही सीबीए स्नातक छात्र डेविड प्रीस और एमआईटी कंप्यूटर विज्ञान प्रोफेसर एरिक डी. डेमाइन भी हैं। शोध के नतीजे अमेरिकन सोसाइटी ऑफ मैकेनिकल इंजीनियर्स इंजीनियरिंग कंप्यूटर्स एंड इंफॉर्मेशन कॉन्फ्रेंस में प्रस्तुत किए गए।
जाली जैसी संरचनात्मक सामग्री का उपयोग अक्सर एक मिश्रित सामग्री के मूल के रूप में किया जाता है जिसे सैंडविच संरचना के रूप में जाना जाता है। एक सैंडविच संरचना की कल्पना करने के लिए, एक हवाई जहाज के पंख की कल्पना करें, जहां प्रतिच्छेदी विकर्ण बीम की एक श्रृंखला ऊपर और नीचे के पैनलों के बीच एक जालीदार कोर बनाती है। इस ट्रस संरचना में उच्च कठोरता और ताकत है फिर भी यह वजन में बहुत हल्का है।
एक पैनल जाली एक छत्ते की संरचना है जो बीम के बजाय प्लेटों के त्रि-आयामी चौराहों से बनी होती है। इन उच्च-प्रदर्शन संरचनाओं की ताकत और कठोरता ट्रस लैटिस से भी अधिक है, लेकिन उनके जटिल आकार के कारण, 3 डी प्रिंटिंग जैसी सामान्य तकनीकों का उपयोग करके उन्हें बनाना चुनौतीपूर्ण है, खासकर बड़े पैमाने पर इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में।
एमआईटी के शोधकर्ताओं ने टंग पेपर का उपयोग करके इन विनिर्माण चुनौतियों पर काबू पा लिया, जो 3डी आकार बनाने के लिए कागज को मोड़ने और काटने की एक तकनीक है, जो 7वीं शताब्दी के जापानी कलाकारों के समय की है।
शोधकर्ताओं ने 62 किलोन्यूटन से अधिक की संपीड़न शक्ति वाली एल्यूमीनियम संरचना बनाने के लिए अपनी विधि का उपयोग किया, लेकिन इसका वजन केवल 90 किलोग्राम प्रति वर्ग मीटर था। छवि स्रोत: शोधकर्ताओं द्वारा प्रदान किया गया
किरिगामी का उपयोग आंशिक रूप से मुड़े हुए ज़िगज़ैग क्रीज का उपयोग करके पैनल बनाने के लिए किया गया है। लेकिन एक सैंडविच संरचना बनाने के लिए, फ्लैट शीट को नालीदार कोर के ऊपर और नीचे और फिर हेरिंगबोन सिलवटों द्वारा बनाए गए संकीर्ण बिंदुओं से जोड़ा जाना चाहिए। इसके लिए अक्सर मजबूत चिपकने वाले या वेल्डिंग तकनीक की आवश्यकता होती है, जिससे असेंबली धीमी, महंगी और स्केल करना मुश्किल हो जाता है।
एमआईटी शोधकर्ताओं ने एक सामान्य ओरिगेमी क्रीज पैटर्न को संशोधित किया ताकि नालीदार संरचना के तेज बिंदु पहलू बन जाएं। ये पहलू, हीरे के पहलुओं की तरह, एक सपाट सतह प्रदान करते हैं जिस पर प्लेटों को बोल्ट या रिवेट्स के साथ अधिक आसानी से बांधा जा सकता है।
ParraRubio ने कहा, "प्लेट जाली ताकत और कठोरता के मामले में बीम जाली से बेहतर प्रदर्शन करती है जबकि वजन और आंतरिक संरचना स्थिर रहती है।" "नैनोस्केल उत्पादन के लिए दो-फोटॉन लिथोग्राफी का उपयोग करके, सैद्धांतिक कठोरता और ताकत एचएस ऊपरी सीमा तक पहुंच गई है। प्लेट लैटिस का निर्माण करना बहुत कठिन है और इसलिए मैक्रोस्केल पर इसका खराब अध्ययन किया गया है। हमारा मानना है कि फोल्डिंग धातु से बनी ऐसी प्लेट जैसी संरचनाओं का उपयोग करना आसान बनाने का एक मार्ग है।"
इसके अतिरिक्त, जिस तरह से शोधकर्ताओं ने पैटर्न को डिज़ाइन किया, मोड़ा और काटा, उससे उन्हें कुछ यांत्रिक गुणों, जैसे कठोरता, ताकत और लचीले मापांक (झुकने का विरोध करने की सामग्री की प्रवृत्ति) को ट्यून करने की अनुमति मिली। उन्होंने इस जानकारी को, त्रि-आयामी आकृतियों के साथ, क्रीज़ मानचित्रों में एन्कोड किया, जिसका उपयोग उन्होंने इन जेलीड पेपर तरंगों को बनाने के लिए किया।
उदाहरण के लिए, प्लीट्स को कैसे डिज़ाइन किया गया है, उसके आधार पर, कुछ कोशिकाओं को आकार दिया जा सकता है ताकि वे संपीड़ित होने पर अपना आकार बनाए रखें, जबकि अन्य को संशोधित किया जा सकता है ताकि वे झुकें। इस तरह, शोधकर्ता सटीक रूप से नियंत्रित कर सकते हैं कि संरचना के विभिन्न क्षेत्र संपीड़न के तहत कैसे विकृत होते हैं।
क्योंकि संरचना के लचीलेपन को नियंत्रित किया जा सकता है, इन गलियारों का उपयोग रोबोट या अन्य गतिशील अनुप्रयोगों में चलने, मोड़ने और झुकने वाले भागों में किया जा सकता है।
रोबोट जैसी बड़ी संरचनाएँ बनाने के लिए, शोधकर्ता एक मॉड्यूलर असेंबली प्रक्रिया का उपयोग करते हैं। वे बड़े पैमाने पर छोटे क्रीज पैटर्न का उत्पादन करते हैं और उन्हें अल्ट्रा-लाइट, अल्ट्रा-मजबूत त्रि-आयामी संरचनाओं में इकट्ठा करते हैं। छोटी संरचना में कम सिलवटें होती हैं, जिससे निर्माण प्रक्रिया सरल हो जाती है।
संशोधित मिउरा-ओरी पैटर्न का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक क्रीज़ पैटर्न बनाया जो वांछित आकार और संरचनात्मक गुण उत्पन्न करता है। फिर उन्होंने धातु की सपाट शीटों को काटने और उन्हें त्रि-आयामी आकार में मोड़ने के लिए एक अनोखी मशीन - ज़ंड कटिंग टेबल - का उपयोग किया।
गेर्शेनफेल्ड ने कहा, "कारों और हवाई जहाज जैसे उत्पादों को बनाने के लिए, आपको सांचों में भारी निवेश करने की आवश्यकता है। इस निर्माण प्रक्रिया के लिए 3डी प्रिंटिंग जैसे किसी उपकरण की आवश्यकता नहीं है। लेकिन 3डी प्रिंटिंग के विपरीत, हमारी प्रक्रिया सामग्री गुणों को रिकॉर्ड करने की सीमा निर्धारित कर सकती है।"
अपनी पद्धति का उपयोग करके, उन्होंने 62 किलोन्यूटन से अधिक की संपीड़न शक्ति वाली एक एल्यूमीनियम संरचना बनाई, लेकिन इसका वजन केवल 90 किलोग्राम प्रति वर्ग मीटर था। (कॉर्क का वजन लगभग 100 किलोग्राम प्रति वर्ग मीटर होता है) उनकी संरचना बहुत मजबूत होती है और साधारण एल्यूमीनियम गलियारों की तुलना में तीन गुना अधिक बल का सामना कर सकती है।
इस बहुमुखी तकनीक का उपयोग स्टील और कंपोजिट सहित सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जा सकता है, जो इसे विमान, कारों या अंतरिक्ष यान के लिए हल्के सदमे-अवशोषित घटकों के उत्पादन के लिए आदर्श बनाता है।
हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके दृष्टिकोण का मॉडल बनाना कठिन हो सकता है। इसलिए, वे भविष्य में इन ग्रिड संरचनाओं के लिए उपयोगकर्ता के अनुकूल सीएडी डिज़ाइन उपकरण विकसित करने की योजना बना रहे हैं। इसके अलावा, वे अपने डिज़ाइनों के लिए आवश्यक प्रदर्शन को अनुकरण करने की कम्प्यूटेशनल लागत को कम करने के तरीकों का पता लगाने की उम्मीद करते हैं।
पारा-रूबियो, मोंडिलोवा और अन्य एमआईटी स्नातक छात्रों ने भी इस तकनीक का उपयोग एल्यूमीनियम कंपोजिट से तीन बड़ी मुड़ी हुई कलाकृतियाँ बनाने के लिए किया, जो एमआईटी मीडिया लैब में प्रदर्शित हैं। हालाँकि प्रत्येक टुकड़ा कई मीटर लंबा है, संरचनाओं को बनाने में केवल कुछ घंटे लगे।
पार्रारूबियो ने कहा, "आखिरकार, कलाकृति हमारे पेपर में प्रदर्शित गणितीय और इंजीनियरिंग योगदान के कारण ही संभव है। लेकिन हम अपने काम की सौंदर्य शक्ति को भी खोना नहीं चाहते हैं।"