Earwigs og origami -kunsten

ETH Zürich forskere har udviklet multifunktionelle origami strukturer, som de derefter fremstillede i 4-D trykte genstande. Designprincippet efterligner strukturen af ​​en ørevigsvinge.

Hvert barn kender til origami. Dygtigheden i denne orientalske kunst ligger i at folde et fladt ark papir i forskellige - og i nogle tilfælde meget komplekse - strukturer. Eksempler på origami findes også i den naturlige verden. Vingen af ​​en ørepinde er en perfekt illustration:dens detaljerede design er langt mere genialt end nogen menneskeskabt struktur.

Når den er åben, den ørevigne vinge udvider sig ti gange større end når den lukkes - en af ​​de højeste foldningsforhold i dyreriget. Det store vingeareal tillader insektet at flyve, mens den kompakte måde, vingerne trækker sig på, gør det muligt for væsenet at tunnelere under jorden uden at skade vingerne.

Vingedesignet har en anden unik egenskab; imidlertid, i dens åbne, låst tilstand vingen forbliver stiv uden behov for muskelkraft for at give stabilitet. Med bare et "klik", vingen folder sig helt ind i sig selv, uden muskulær aktivering.

Simulering bringer et gennembrud

Forskere ved ETH Zürich og Purdue University har undersøgt hemmeligheden bag ørvigens origami-lignende vinger og har skabt en kunstig struktur, der fungerer efter det samme princip. Deres papir er netop blevet vist i journalen Videnskab .

For at analysere vingens struktur og funktion, undersøgelsens hovedforfatter, Jakob Faber fra forskningsgruppen ledet af André Studart, Professor for komplekse materialer ved ETH Zürich, i samarbejde med prof. Andres Arrieta fra Purdue University udført en computersimulering af fløjens funktion.

Dette viste, at hvis vingen skulle fungere efter det klassiske origami -princip - ved hjælp af stive, lige folder med en vinkelsum på 360 grader ved deres skæringspunkter - øretiggen ville kun kunne folde sin vinge ned til en tredjedel af sin størrelse. Den afgørende faktor i udformningen af ​​insektets vinge er dens elastiske folder, som kan fungere enten som en forlængelses- eller rotationsfjeder.

Vingeleddene er lavet af lag af en speciel elastisk biopolymer, resin, hvis placering og tykkelse bestemmer fjedertypen. I nogle tilfælde, både forlængelses- og rotationsfunktioner kombineres i samme led.

Faber og hans kolleger undersøgte også det punkt i ørvigets vinge, der er ansvarlig for stabiliteten i både åben og lukket tilstand:den centrale midterfløjsled. På dette tidspunkt, folderne krydser hinanden i vinkler, der er uforenelige med stiv origami -teori. "Dette punkt låser vingen på plads i både dens åbne og lukkede tilstand, ”Faber understreger.

4D trykt objekt

Forskerne overførte fundene fra computersimuleringerne til en 3D-printer med flere materialer. Dette gav dem mulighed for direkte at fremstille et 4D -objekt omfattende fire stive plastikplader forbundet til hinanden via en blød elastisk samling. Forbindelsesfoldernes fjederfunktioner blev programmeret ind i materialet, så de kunne udføre forlængelses- eller rotationsbevægelser, efterligner den biologiske model.

Insektets vinge er stabil, når den er åben, men foldes automatisk sammen ved selv den letteste berøring.

I det næste trin, forskerne overførte princippet til større elementer og trykte en forårs origami -griber. Denne struktur folder sig selv, låser og er derefter i stand til at gribe objekter uden behov for ekstern aktivering.

Ansøgninger om rumrejser

Fabers 3D -printede, selvfoldende origami-elementer er i øjeblikket kun tilgængelige som prototyper. En potentiel anvendelse kan være foldbar elektronik. Et andet område er rumfart:solsejl til satellitter eller rumsonde, der kunne transporteres inden for et meget lille rum og derefter foldes ud i deres fulde størrelse på deres anvendelsessted. Selvlåsende bioinspirerede origami-strukturer som øreringens vinge ville spare plads, vægt og energi, da de ikke kræver nogen aktuatorer eller yderligere stabilisatorer.

ETH -forskere kan også forestille sig mere dagligdags anvendelser, såsom foldbare telte, kort eller indlægssedler. "Når du har udfoldet disse ting, det er ofte umuligt at folde dem tilbage til deres oprindelige form. Hvis, på den anden side, de foldede simpelthen automatisk tilbage, det ville spare en masse besvær, "siger Faber, med et legende udtryk.