Hoe kan een enkel origami-vouwpatroon worden gevouwen tot twee nauwkeurig gedefinieerde doelvormen? Onderzoekers van AMOLF en de Universiteit Leiden hebben een "alfabet" van 140 origami "puzzelstukken" gemaakt waarmee ze precies dat kunnen doen, zoals vandaag beschreven in Natuurfysica . Deze ontdekking kan helpen bij de constructie van origami-robots en bij het ontwerpen van slimme programmeerbare materialen.

Natuurkunde is niet alleen kwantummechanica en zwarte gaten. Zelfs het vouwen van papier, bijv. origami, stelt veel natuurkunde-gerelateerde raadsels, en met dit onderzoek een daarvan is opgelost.

Peter Dieleman, Nick Vasmel, Scott Waitukaitis en Martin van Hecke van de Universiteit Leiden, Afdeling Natuurkunde, en onderzoeksinstituut AMOLF ontdekten een methode om opvouwbare stijve origami te ontwerpen. Nuttig in vele technologische toepassingen, stijve origami houdt zich bezig met platte oppervlakken die zijn verdeeld in stijve panelen die langs rechte plooien vouwen. "Het is erg moeilijk om een ​​rigide patroon te ontwerpen dat zal vouwen, " zegt Martin van Hecke. "De meeste patronen zijn overbelast en moeten vlak blijven."

Tot nu, er waren slechts een select aantal opvouwbare stijve origami-patronen bekend, inclusief Miura-ori, een visgraatpatroon uit de Japanse artistieke traditie. Op zoek naar meer patronen, de onderzoekers concentreerden zich op die waar vier plooien elkaar ontmoeten op elke kruising in een zogenaamd hoekpunt.

Uitgaande van een kleine subset van vier hoekpunten, de onderzoekers vonden een manier om die te combineren tot tegels met op elke hoek een hoekpunt. Systematisch alle combinaties controleren, ze vonden 140 basistegels die gegarandeerd vouwen. Dit zijn de letters van het origami-alfabet.

Om grotere opvouwbare patronen te maken, het onderzoeksteam hoefde alleen maar tegels te vinden die bij elkaar passen; dit verandert een strak origami-ontwerp in een legpuzzel. De complexe wiskunde van de onderliggende origami is ingenieus gecodeerd in de vorm en kleur van de stukken. Al spelend met hun puzzelstukjes, de onderzoekers herontdekten al snel de klassieke vouwpatronen zoals de Miura-ori. Belangrijker, ze vonden ook een schat aan nooit eerder ontdekte vouwpatronen.

Programmeerbare vouwpatronen

Verrassend genoeg, de onderzoekers ontdekten dat al dergelijke vouwpatronen op ten minste twee manieren konden worden gevouwen. Bovendien, de doelvormen kunnen exact worden geprogrammeerd door de tegels in de juiste combinaties te kiezen. Om dit aan te tonen, de onderzoekers ontwierpen een enkel vouwpatroon dat zich in twee doelvormen kan vouwen:de Griekse symbolen alfa en omega. Met behulp van een lasersnijder, ze etsten hun patroon in een vel Mylar, die, na het vouwen, kwamen precies overeen met hun voorspellingen.

Volgens Van Hecke dergelijke programmeerbare vouwpatronen kunnen worden gebruikt in toekomstige op origami gebaseerde robots, als opvouwbare zonnepanelen voor satellieten, of in slimme materialen met programmeerbare eigenschappen. De onderliggende principes kunnen ook inzicht geven in natuurlijk voorkomende vouwsystemen zoals membranen en eiwitten.