Forscher der McGill-Universität haben eine neue Methode entwickelt, mit der flache Blätter zu glatten, gekrümmten Schalen gefaltet werden können, die je nach Bedarf von einem weichen in einen starren Zustand übergehen können, der Lasten tragen kann.
Dank eines Origami-Modells, in das es seilähnliche Elemente integriert, kann das Team sowohl die endgültige dreidimensionale Form des Materials als auch seinen Steifigkeitsgrad kontrollieren. Laut den Forschern könnte diese Innovation, ein 'Doppelkrümmungs-Linsenmodul', die Technologie für Objekte wie Notzelte, formveränderliche Roboter und intelligente Stoffe voranbringen.
Bestehende faltbare Strukturen zwingen uns zu einem Kompromiss: Wenn sie glatt und gekrümmt sind, neigen sie dazu, weich und schlaff zu sein; wenn sie fest und starr sind, haben sie meist eckige, unregelmäßige Formen, die unpraktisch und nach dem Zusammenbau schwer anzupassen sind, erklärt Damiano Pasini, Co-Autor der Studie und Professor für Maschinenbau an der McGill-Universität.
Dies stellt eine wichtige Einschränkung für Technologien wie tragbare Geräte, medizinische Implantate, weiche Roboter und entfaltbare Raumfahrtstrukturen dar, die, um von außen einwirkende Kräfte gut aufnehmen zu können, oft glatte Formen und zuverlässige Festigkeit benötigen.
Um dieses Problem zu beheben, hat das Team ein Origami-Modell mit gekrümmten Falten entworfen, das glatte doppelt gekrümmte Oberflächen wie Kugeln oder Tori (Donutformen) bildet. Die so gebildete Struktur kann in einen starren Zustand 'verriegelt' werden, der Lasten tragen kann. Durch das Hinzufügen interner Sehnen, deren Spannung einstellbar ist, kann dieselbe Struktur dann neu programmiert werden, um sie ultraschwach oder sehr steif zu machen, ohne dass sich ihre Form oder Materialien ändern.
Verstellbare Sehnen zur Steifigkeitsmodulation
Das neue Faltmodell kombiniert gekrümmte und gerade Falten, sodass flache Blätter in durchgehende, glatte Oberflächen verwandelt werden können, anstatt in die eckigen Formen, die für klassisches Origami charakteristisch sind.
Ausgehend von einer gewünschten gekrümmten Form (Kugel, Torus, Vase) nutzten die Forscher die Differentialgeometrie – die mathematische Theorien zur Kachelung, im Origami, und zu abwickelbaren Flächen umfasst – und dann numerische Optimierung, um das exakte Faltmuster zu berechnen, das nötig ist, damit die Origami-Schale nach dem Falten und Verriegeln die gewünschte Form annimmt.
Anschließend schnitten sie Kartonblätter per Laser zu und falteten sie nach diesem Schema, bevor sie sie zu Schalen zusammensetzten und dann an bestimmten Stellen dünne Kabel ('Sehnen') einfügten.
„Durch Spannen oder Lösen der Sehnen haben wir die Veränderung der Steifigkeit gemessen und gezeigt, dass die Schalen von einem schlaffen, weichen Zustand in einen starren, torsions- und biegesteifen Zustand übergehen können“, berichtet Professor Pasini.
Validiert mit Hilfe der Mechaniktheorie, des starren Origami und geometrischer Simulationen, bestätigen die Ergebnisse, dass die Faltkinematik, d.h. die Bewegungen des Objekts, realisierbar ist. Die Simulationen bestätigten auch, dass die Oberflächen glatt blieben und das Schema vergrößert und mosaikartig wiederholt werden konnte.
Ein neues Paradigma der Konstruktion
Laut Damiano Pasini ebnen diese Arbeiten den Weg für ein neues Paradigma des Designs von Origami-inspirierten Metamaterialien.
„Unser Ansatz eröffnet neue Perspektiven für das Design von gekrümmten, tragenden, entfaltbaren und adaptiven Strukturen. Unsere Ergebnisse stellen die Vorstellung in Frage, dass komplexe Materialien oder externe Systeme erforderlich seien, um eine einstellbare Steifigkeit zu erreichen. Sie zeigen vielmehr, dass eine intelligente Geometrie einen Großteil der Arbeit leisten kann.“
Die Studie Der Artikel mit dem Titel „Smooth doubly curved origami shells with reprogrammable rigidity“ von Morad Mirzajanzadeh und Damiano Pasini wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Quelle: McGill-Universität