Origami – den japanske kunst af foldningspapir – kunne være den næste grænse i innovative materialer. Origami, der blev praktiseret i Japan siden de tidlige 1600’ere, involverer at kombinere enkle foldeteknikker for at skabe komplicerede design. Nu udnytter Georgia Tech-forskere teknikken som grundlaget for næste generations materialer, der både kan fungere som et solidt og forudsigeligt deform, “foldes” under de rigtige kræfter. Forskningen kan føre til innovationer i alt fra hjertestenter til flyvinger og løbesko.
For nylig offentliggjort i Naturkommunikationundersøgelsen, “grovkornede grundlæggende former til karakterisering af isometrier af trapezoidbaserede origami-metamaterialer,” blev ledet af den første forfatter James McInerney, der nu er NRC Research Associate på Air Force Research Laboratory.
McInerney, der afsluttede forskningen, mens en postdoktorstudent ved University of Michigan, var tidligere en doktorand ved Georgia Tech i gruppen af studieforfatter Zeb Rocklin. Holdet inkluderer også forskere fra Princeton University, University of Michigan og University of Trento.
“Origami har fået en masse opmærksomhed i det sidste årti på grund af dens evne til at implementere eller transformere strukturer,” siger McInerney. “Vores team spekulerede på, hvordan forskellige typer fold kunne bruges til at kontrollere, hvordan en materiel deformerer, når forskellige kræfter og pres påføres det” – som et fyldende stykke pap, der foldes mere forudsigeligt end en, der kan krølle sig uden nogen fold.
Anvendelserne af den type kontrol er store. “Der er en række scenarier, der spænder fra design af bygninger, fly og flådefartøjer til emballage og forsendelse af varer, hvor der har en tendens til at være en afvejning mellem at forbedre de bærende kapaciteter og øge den samlede vægt,” forklarer McInerney. “Vores slutmål er at forbedre belastningsbærende design ved at tilføje origami-inspirerede folder-uden at tilføje vægt.”
Udfordringen, tilføjer Rocklin, er at bruge fysik til at finde en måde at forudsigeligt modellere, hvilke fold at bruge, og hvornår de skal opnå de bedste resultater.
Deformerbare faste stoffer
Rocklin, en teoretisk fysiker og lektor i School of Physics ved Georgia Tech, understreger den komplekse karakter af disse typer materialer. “Hvis jeg trækker i begge ender af et ark papir, er det solidt – det adskiller sig ikke,” forklarer han. “Men det er også fleksibelt – det kan krølles og bølge afhængigt af hvordan jeg bevæger det. Det er en meget anden opførsel end hvad vi måtte se i et konventionelt fast stof og en meget nyttig.”
Men selvom fleksible faste stoffer er unikt nyttige, er de også meget svære at karakterisere, siger han. “Med disse materialer er det ofte vanskeligt at forudsige, hvad der vil ske – hvordan materialet vil deformere under pres, fordi det kan deformere på mange forskellige måder. Konventionelle fysik -teknikker kan ikke løse denne type problemer, hvorfor vi stadig kommer med nye måder at karakterisere strukturer i det 21. århundrede.”
Når man overvejer origami-inspirerede materialer, starter fysikere med et fladt ark, der er omhyggeligt skruet om at skabe en bestemt tredimensionel form; Disse folder bestemmer, hvordan materialet opfører sig. Men metoden er begrænset: kun parallelogrambaseret origami-foldning, der bruger former som firkanter og rektangler, var tidligere blevet modelleret, hvilket muliggjorde begrænsede typer af deformation.
“Vores mål var at udvide denne forskning til også at omfatte trapezoide ansigter,” siger McInerney. Parallelogrammer har to sæt parallelle sider, men trapezoider behøver kun at have et sæt parallelle sider. At introducere disse mere variable former gør denne type krølning vanskeligere at modellere, men potentielt mere alsidig.
Vejrtrækning og klipning
“Fra vores modeller og fysiske tests fandt vi, at trapezoide ansigter har en helt anden klasse af svar,” deler McInerney. Med andre ord – ved at bruge trapezoider fører til ny opførsel.
Designerne havde evnen til at ændre deres form på to forskellige måder: “vejrtrækning” ved at udvide og kontrahere jævnt og “klipning” ved at deformere i en vridende bevægelse. “Vi lærte, at vi kan bruge trapezoide ansigter i origami til at begrænse systemet fra at bøje sig i visse retninger, hvilket giver forskellige funktionaliteter end parallelogram ansigter,” tilføjer McInerney.
Overraskende fandt teamet også, at nogle af opførslen i parallelogrambaseret origami overførte til deres trapezformede origami, der antyder nogle funktioner, der kan være universelle på tværs af design.
”Mens vores forskning er teoretisk, kan disse indsigter give os flere muligheder for, hvordan vi kan implementere disse strukturer og bruge dem,” deler Rocklin.
Fremtidig foldning
“Vi har stadig en masse arbejde at gøre,” siger McInerney og deler, at der er to separate veje til forskning at forfølge. “Den første er at bevæge sig fra trapezoider til mere generelle firkantede ansigter og forsøge at udvikle en effektiv model af den materielle opførsel – svarende til den måde, denne undersøgelse bevægede sig fra parallelogrammer til trapezoider.”
Disse nye modeller kunne hjælpe med at forudsige, hvordan foldede materialer kan deformeres under forskellige omstændigheder, og hjælpe forskere med at sammenligne disse resultater med ark uden overhovedet nogen krækninger. “Dette vil i det væsentlige lade os vurdere den forbedring, som vores design giver,” forklarer han.
“Den anden avenue er at begynde at tænke dybt på, hvordan vores design kan integreres i et rigtigt system,” fortsætter McInerney. “Det kræver forståelse af, hvor vores modeller begynder at bryde sammen, hvad enten det skyldes belastningsbetingelserne eller fabrikationsprocessen, samt etablering af effektive fremstillings- og testprotokoller.”
“Det er et meget udfordrende problem, men biologi og natur er fuld af smarte faste stoffer – inklusive vores egne kroppe – der deformerer på specifikke, nyttige måder, når det er nødvendigt,” siger Rocklin. “Det er det, vi prøver at replikere med origami.”