Op origami gebaseerde structuren zijn gebruikt om inzetbare zonnepanelen voor de ruimte te maken, aanpasbare akoestische systemen voor symfoniezalen en zelfs crashbeveiligingssystemen voor vliegende drones.

Nu hebben onderzoekers van het Georgia Institute of Technology een nieuw type origami gemaakt dat van het ene patroon in een ander patroon kan veranderen, of zelfs een hybride van twee patronen, onmiddellijk veel van zijn structurele kenmerken veranderen.

Het onderzoek, die werd ondersteund door de National Science Foundation en op 19 april in het tijdschrift zal worden gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven , zou nieuwe soorten op origami gebaseerde structuren of metamaterialen kunnen ontsluiten die gebruikmaken van de kenmerken van twee soorten origami.

"Deze hybride origami zorgt voor herprogrammeerbare mechanische eigenschappen en de mogelijkheid om die eigenschappen te veranderen terwijl het materiaal in gebruik is, " zei Glaucio Paulino, een professor aan de Georgia Tech School of Civil and Environmental Engineering.

De onderzoekers begonnen met twee soorten origamipatronen:de Miura-ori en de eierdoos, die beide kunnen worden gevormd tot vellen met herhalende patronen. De Miura-ori ziet eruit als rijen gevouwen zigzaglijnen, terwijl het eierdoospatroon lijkt op een bergketen met zich herhalende pieken en dalen.

Beide kunnen worden gecomprimeerd tot een zeer kleine ruimte, maar wanneer ze worden uitgezet, gedragen ze zich anders dan elkaar in hoe ze reageren op buigen. Het eierdoospatroon lijkt op een koepel wanneer het gebogen is, en de Miura-ori heeft de vorm van een zadel.

"Traditioneel, als je een eierdoospatroon hebt, je zit opgesloten in de kenmerken van dat specifieke patroon, " zei Paulino, die ook de Raymond Allen Jones Chair of Engineering is aan de School of Civil and Environmental Engineering. "Met dit nieuwe patroon, die we morph noemen, dat is niet meer het geval."

Het nieuwe origami-patroon bereikt zijn morphing-vermogen door een herontwerp van de geometrie van twee van de vier vlakken die een deel van de origami vormen. Door die twee vlakken aan één kant te verkleinen, het stelt hun plooien in staat om van een berg naar een vallei te verschuiven, of met andere woorden, in de tegenovergestelde richting te vouwen.

En belangrijker nog, de overgang van piek naar dal kan plaatsvinden, ongeacht of de origami is gevormd uit een flexibel materiaal zoals papier of een stijf materiaal zoals metaal.

Dat betekent, bijvoorbeeld, dat op origami gebaseerde structuren die worden gebruikt voor akoestische systemen - die al in staat zijn uit te zetten en samen te trekken om het volume van de geluidsrespons te verhogen of te verlagen - nog een stap verder zouden kunnen gaan, veranderen hoe ze buigen om mogelijk een nog groter scala aan resonante reacties te bieden. In het voorbeeld van het drone-crashbeveiligingssysteem, het nieuwe origamipatroon kan mogelijk andere aanpassingsopties bieden of aspecten van de slagvastheid veranderen, zei Paulino.

"NSF's investeringen in fundamenteel onderzoek naar architectonische materialen hebben de grenzen verlegd en 'shape-shifting' structuren gecreëerd voor toepassingen in ruimteverkenning, robotica en medicijnen, " zei Robert B. Stone, NSF's civiele, Divisiedirecteur Mechanische en Productie Innovatie.

Het nieuwe origamipatroon kan ook een hybride structuur aannemen, waarbij bepaalde rijen in de ene configuratie zijn gevouwen en andere in de andere. In een dergelijke configuratie, de structuur zou kenmerken van beide typen vertonen.

"Er zijn een groot aantal combinaties in termen van hoe deze kunnen worden geconfigureerd, die veel aanpassingsmogelijkheden biedt voor structuren op basis van het morph-patroon, " zei Ke Liu, een voormalig afgestudeerde student aan Georgia Tech en nu een postdoctoraal onderzoeker aan het California Institute of Technology.

Een ander uniek kenmerk van het morph-patroon is wat er gebeurt als een Miura-ori-rij zich tussen twee eierdoosrijen bevindt. Typisch, wanneer spanning wordt toegepast om een ​​van de patronen uit elkaar te trekken, ze reageren door toe te geven en hun vorm af te vlakken. Echter, in dit nieuwe geval het Miura-ori-patroon klikt op zijn plaats.

"De vergrendeling is erg sterk, en er is geen andere manier om die greep te doorbreken dan de hele structuur uit elkaar te scheuren, " zei Phanisri Pratapa, een voormalig postdoctoraal fellow bij Georgia Tech en nu een assistent-professor civiele techniek aan het Indian Institute of Technology Madras.

De vergrendeling zou constructies in staat kunnen stellen de hoeveelheid mogelijke uitzetting te beperken en die limiet on-the-fly te veranderen, zei Pratapa.