Hvordan origami kan omforme fremtiden for alt

Den næste generation af solpaneler og airbags vil blive formet af den gamle japanske kunst at folde papir.

I det mindste, sådan ser den nordøstlige forsker Soroush Kamrava på det.

Den tredje-års ph.d.-studerende i maskinteknik bruger 3-D-printere i maskinværkstedet på campus til at skabe smarte strukturer - objekter, der kan kollapse, absorbere energi, og spring tilbage på plads ved hjælp af de geometriske principper for origami.

"Origami er en kunstgren, der kun bruger geometri, som er den samme base for mekaniske strukturer, " sagde Kamrava.

Traditionel origami bruger papir. Imidlertid, de fleste tekniske applikationer kræver materialer med definitiv tykkelse og tilstrækkelig styrke og stivhed til at fungere korrekt. Det er her metamaterialer kommer ind. Stoffer, der ikke findes i naturen, såsom plastik, metal og gummi, metamaterialer danner grundlaget for Kamravas arbejde.

En origami-ekspert kan gøre et par grundlæggende folder til et komplekst design. Udfordringen for ingeniører er at skabe et system af folder, der er strukturelt forsvarligt og kan reproduceres.

Kamrava bruger metamaterialer til at replikere mønstre og former, han møder hver dag. "Vores arbejde er en kombination af videnskab og kunst, " sagde han. "Så nogle gange kommer inspiration fra et museum, gammel arkitektur, eller bare gulvfliser."

Kamrava producerer en papirversion af designet med en origami-printer. Så leger han med prøven, folde det og udfolde det, for at sikre, at det kan kopieres ved hjælp af stærkere materialer.

Når det er bekræftet, 3-D printere fremstiller geometrisk formede stykker i det ønskede metamateriale, normalt plastik, hvilket nogle gange kan tage timer afhængigt af hvert stykkes størrelse.

Kamrava samler den endelige struktur ved hjælp af metalhængsler for at efterligne origami-papirfoldninger. Påføring af et lille tryk ændrer strukturens form. Da hængslerne absorberer stress, ændringen kan foretages igen og igen.

Hans forskning fokuserer på den smarte strukturs deployerbarhed, som er evnen til at udvide strategisk uden at skabe defekter i selve strukturen. Kamrava beregner den funktionelle anvendelse af strukturer baseret på deres smidighed.

"For eksempel, hvis du vil sende en stor struktur til rummet, det bliver dyrt, " sagde han. "Så videnskabsmænd kan designe en deployerbar struktur, der foldes til et mindre volumen til rejsen, men kan udvide sig tilbage til sin oprindelige form, når den ankommer."

Smarte strukturer er ikke robotter, som bruger elektronik. Smarte strukturer ændrer simpelthen deres form baseret på en reaktion på en ændring i miljøet.

Fra start til montering, det tager omkring et år at lave en enkelt smart struktur. Kamrava arbejder med et hold af kandidat- og bachelorstuderende og hans rådgiver Ashkan Viziri, professor i maskin- og industriteknik.

Viziri, der studerer højtydende materialer, anerkendte Kamravas arbejdsmoral og innovative tilgang til at skabe origami-inspirerede metamaterialer.

"Soroush har gjort et fremragende stykke arbejde med at sikre, at han er uafhængig, " sagde Viziri. "Han tænker altid på den næste idé, og hvordan han kan udvide det, han allerede har gjort, som jeg synes er en kritisk del af enhvers uddannelse på ph.d. niveau."

En dag, Kamrava håber at bruge origami-inspirerede metamaterialer til at skabe smarte strukturer, der kan bruges til at høste vedvarende energi. Men for nu, han eksperimenterer stadig.

"Smarte materialer er et igangværende forskningsfelt, sagde han. Efter min mening, at komme på ideen er den bedste del."