ETH Zürich-onderzoekers hebben multifunctionele origami-structuren ontwikkeld, die ze vervolgens fabriceerden tot 4D-geprinte objecten. Het ontwerpprincipe bootst de structuur van de vleugel van een oorworm na.

Elk kind kent origami. De vaardigheid van deze oosterse kunst ligt in het vouwen van een plat vel papier in verschillende - en in sommige gevallen zeer complexe - structuren. Voorbeelden van origami bestaan ​​ook in de natuurlijke wereld. De vleugel van een oorworm is een perfecte illustratie:het uitgebreide ontwerp is veel ingenieuzer dan welke door de mens gemaakte structuur dan ook.

Wanneer geopend, de oorwormvleugel zet tien keer groter uit dan wanneer hij gesloten is - een van de hoogste vouwverhoudingen in het dierenrijk. Door het grote vleugeloppervlak kan het insect vliegen, terwijl de compacte manier waarop de vleugels worden ingetrokken, het schepsel in staat stelt ondergronds te tunnelen zonder zijn vleugels te beschadigen.

Het vleugelontwerp heeft nog een ander uniek kenmerk; echter, in zijn open, vergrendelde toestand blijft de vleugel stijf zonder dat er spierkracht nodig is om stabiliteit te bieden. Met slechts één "klik" de vleugel vouwt volledig in zichzelf, zonder spieractiviteit.

Simulatie brengt een doorbraak

Onderzoekers van ETH Zürich en Purdue University hebben het geheim van de origami-achtige vleugels van de oorworm bestudeerd en een kunstmatige structuur gecreëerd die volgens hetzelfde principe werkt. Hun artikel is zojuist in het tijdschrift verschenen Wetenschap .

Om de vleugelstructuur en -functie te analyseren, de hoofdauteur van de studie, Jakob Faber van de onderzoeksgroep onder leiding van André Studart, Professor voor complexe materialen aan de ETH Zürich, in samenwerking met Prof. Andres Arrieta van Purdue University een computersimulatie van de functie van de vleugel uitgevoerd.

Hieruit bleek dat als de vleugel zou werken volgens het klassieke origami-principe - met behulp van stijve, rechte vouwen met een hoeksom van 360 graden op hun kruispunten - de oorworm zou zijn vleugel slechts tot een derde van zijn grootte kunnen vouwen. De cruciale factor in het ontwerp van de vleugel van het insect zijn de elastische vouwen, die als verleng- of draaiveer kan werken.

De vleugelverbindingen zijn gemaakt van lagen van een speciaal elastisch biopolymeer, resiline, waarvan de opstelling en dikte het veertype bepalen. In sommige gevallen, zowel extensie- als rotatiefuncties worden gecombineerd in hetzelfde gewricht.

Faber en zijn collega's onderzochten ook het punt in de vleugel van de oorworm dat verantwoordelijk is voor de stabiliteit in zowel open als gesloten toestand:het centrale middenvleugelgewricht. Op dit punt, de vouwen kruisen elkaar onder hoeken die onverenigbaar zijn met de rigide origami-theorie. "Dit punt vergrendelt de vleugel in zowel open als gesloten toestand, ’ benadrukt Faber.

4D geprint object

De onderzoekers brachten de bevindingen van de computersimulaties over naar een multi-materiaal 3D-printer. Hierdoor konden ze direct een 4D-object maken dat bestaat uit vier stijve kunststofplaten die met elkaar zijn verbonden door een zachte elastische verbinding. De veerfuncties van de verbindingsplooien werden in het materiaal geprogrammeerd om ze in staat te stellen extensie- of rotatiebewegingen uit te voeren, het nabootsen van het biologische model.

De vleugel van het insect is in geopende toestand stabiel, maar vouwt automatisch samen bij zelfs de lichtste aanraking.

In de volgende stap, de onderzoekers brachten het principe over naar grotere elementen en printten een veerorigamigrijper. Deze structuur vouwt zichzelf, vergrendelt en is dan in staat om objecten vast te pakken zonder externe bediening.

Toepassingen voor ruimtereizen

Faber's 3D-geprinte, zelfvouwende origami-elementen zijn momenteel alleen beschikbaar als prototypes. Een mogelijke toepassing is opvouwbare elektronica. Een ander gebied is ruimtevaart:zonnezeilen voor satellieten of ruimtesondes die in een zeer kleine ruimte kunnen worden vervoerd en vervolgens op hun plaats van gebruik tot hun volledige grootte kunnen worden ontplooid. Zelfsluitende bio-geïnspireerde origami-structuren zoals de oorwormvleugel zouden ruimte besparen, gewicht en energie, omdat ze geen aandrijvingen of extra stabilisatoren nodig hebben.

ETH-onderzoekers kunnen zich ook meer alledaags gebruik voorstellen, zoals opvouwbare tenten, kaarten of bijsluiters. "Als je deze dingen eenmaal hebt ontvouwd, het is vaak onmogelijk om ze terug te vouwen in hun oorspronkelijke vorm. Indien, anderzijds, ze vouwden zich gewoon automatisch opnieuw op, dat scheelt een hoop gedoe, " zegt Faber, met een speelse uitstraling.