基于穿孔 kirigami 的形状变形结构

形状变形结构能够将其形状从一种状态变为另一种，在广泛工程应用中十分重要。一种常见情景是从初始平坦的二维（2D）形状变形为三维（3D）目标形状。令人振奋的制造范式之一是将带预设切口（即 kirigami）的平坦 2D 薄板转变为 3D 结构。借助“锥形弹性曲线（tapered elastica）”方程形式，我们发展了逆设计框架以预测可生成所需轴对称 3D 形状的 2D 切割图案。我们此前工作表明，通过对切割 2D 薄板的宽度与厚度均设计特定锥形，可实现镶嵌 3D 结构。然而，制备变厚度样品颇具挑战。本文提出新策略——对宽度锥形而厚度均匀的切割薄板穿孔以引入孔隙率分布。我们称此策略为穿孔 kirigami，并展示如何由理论模型计算孔隙率函数。该孔隙率分布可易由激光切割实现，并改变薄板弯曲刚度以在屈曲时产生所需弹性变形。为验证理论方法，我们进行了有限元模拟与物理实验。我们也通过压痕测试在 FEM 模拟与实验中考察了变形结构的承载能力。作为示例，详细探究了变形半椭球体的几何刚度与其长宽比间关系。