Specielt forberedt papir kan bøjes, fold eller flad på kommando

En af de ældste, de mest alsidige og billige materialer - papir - kommer tilsyneladende til live, bøjning, folde eller flad sig selv, ved hjælp af en lavpris aktiveringsteknologi udviklet på Carnegie Mellon University's Human-Computer Interaction Institute.

Et tyndt lag ledende termoplast, påført almindeligt papir med en billig 3D-printer eller endda malet i hånden, fungerer som en lavpris, reversibel aktuator. Når der påføres en elektrisk strøm, termoplasten opvarmes og udvider sig, får papiret til at bøje eller folde; når strømmen fjernes, papiret vender tilbage til en forudbestemt form.

"Vi genopfinder dette virkelig gamle materiale, " sagde Lining Yao, assisterende professor i HCII og direktør for Morphing Matter Lab, som udviklede metoden sammen med sit team. "Aktivering gør virkelig papir til et andet medie, en, der har både kunstneriske og praktiske anvendelser."

Post-doc forsker Guanyun Wang, tidligere forskningspraktikant Tingyu Cheng og andre medlemmer af Yaos Morphing Matter Lab har designet grundlæggende typer aktuatorer, herunder nogle baseret på origami og kirigami former. Disse muliggør skabelsen af ​​strukturer, der kan forvandle sig selv til kugler eller cylindre. Eller, de kan bruges til at konstruere mere komplicerede objekter, såsom en lampeskærm, der ændrer form og mængden af ​​lys, den udsender, eller en kunstig mimosaplante med bladblade, der åbner sig sekventielt, når man rører ved en.

I juni, mere end 50 studerende i en workshop på Zhejiang University i Hangzhou, Kina, brugte papiraktiveringsteknologien til at skabe komplicerede pop-up-bøger, herunder fortolkninger af berømte kunstværker, såsom Van Goghs Stjernenat og Solsikker.

Den trykte papiraktuator vil blive udstillet 6.-10. september på Ars Electronica Festival i Linz, Østrig; 13.-30. september i Bozar Center for Fine Arts i Bruxelles, Belgien; og fra oktober til marts i Hyundai Motorstudio i Beijing, Kina. Yaos gruppe præsenterede teknologien i april på CHI 2018, konferencen om menneskelige faktorer i computersystemer, i Montreal.

"De fleste robotter - selv dem, der er lavet af papir - kræver en ekstern motor, " sagde Wang, en CMU Manufacturing Futures Initiative-stipendiat. "Det gør vores ikke, som skaber nye muligheder, ikke kun til robotter, men for interaktiv kunst, underholdning og hjemmeapplikationer."

Oprettelse af en papiraktuator er en forholdsvis enkel proces, sagde Cheng. Den anvender den billigste type 3D-printer, en såkaldt FDM-printer, der nedlægger et kontinuerligt filament af smeltet termoplast. Forskerne bruger en hyldevare-printfilament - grafenpolyaktidkomposit - der leder elektricitet.

Den termoplastiske aktuator er trykt på almindeligt kopipapir i et tyndt lag, kun en halv millimeter tyk. Aktuatoren opvarmes derefter i en ovn eller med en varmepistol, og papiret bøjes eller foldes til en ønsket form og får lov til at køle af. Dette vil være standardformen på papiret. Elektriske ledninger kan derefter fastgøres til aktuatoren; påføring af elektrisk strøm opvarmer aktuatoren, får termoplasten til at udvide sig og dermed rette papiret ud. Når strømmen fjernes, papiret vender automatisk tilbage til standardformen.

Yao sagde, at forskerne forfiner denne metode, ændring af udskrivningshastigheden eller bredden af ​​linjen af ​​termoplast for at opnå forskellige foldnings- eller bøjningseffekter. De har også udviklet metoder til udskrivning af berøringssensorer, fingerglidesensorer og bøjningsvinkeldetektorer, der kan styre papiraktuatorerne.

Mere arbejde mangler at blive gjort. Aktivering er langsom, som Yao og hendes team håber på at løse med noget materialeteknologi – ved hjælp af papir, der er mere varmeledende, og ved at udvikle printfilamenter, der er tilpasset til brug i aktuatorer. Den samme aktivering, der bruges til papir, kan også bruges til plast og stoffer.

Ud over Yao, Wang og Cheng, forfattere af CHI-forskningspapiret er Youngwook Do og Byoungkwon An, HCII forskningstilknyttede virksomheder; Jianzhe Gu, en ph.d. studerende i HCII; Humphrey Yang, en kandidatstuderende på CMU School of Architecture, og Ye Tao, en gæsteforsker fra Zhejiang University.