Morphing origami får en ny form, udvide brugsmuligheder

Origami-baserede strukturer er blevet brugt til at skabe udsendelige solcelleanlæg til rum, tilpasselige akustiske systemer til symfonihaller og endda kollisionsbeskyttelsessystemer til flyvende droner.

Nu har forskere ved Georgia Institute of Technology skabt en ny type origami, der kan forvandle sig fra et mønster til et andet, eller endda en hybrid af to mønstre, ændrer øjeblikkeligt mange af dens strukturelle egenskaber.

Forskningen, som blev støttet af National Science Foundation og skal offentliggøres den 19. april i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , kunne låse op for nye typer origami-baserede strukturer eller metamaterialer, der udnytter egenskaberne ved to typer origami.

"Denne hybrid origami giver mulighed for omprogrammerbare mekaniske egenskaber og evnen til at ændre disse egenskaber, mens materialet er i brug, " sagde Glaucio Paulino, en professor ved Georgia Tech School of Civil and Environmental Engineering.

Forskerne startede med to typer origami-mønstre:Miura-ori og æggekassen, som begge kan formes til ark med gentagne mønstre. Miura-ori ligner rækker af foldede zig-zags, mens æggekassemønsteret ligner en bjergkæde med gentagne toppe og dale.

Begge kan komprimeres til et meget lille rum, men når de udvides, opfører de sig forskelligt fra hinanden i, hvordan de reagerer på bøjning. Æggekassemønsteret ligner en kuppel, når det bøjes, og Miura-ori har form som en sadel.

"Traditionelt set hvis du har et æggekassemønster, du er låst fast i egenskaberne ved det pågældende mønster, sagde Paulino, som også er Raymond Allen Jones Chair of Engineering i School of Civil and Environmental Engineering. "Med dette nye mønster, som vi kalder morph, det er ikke længere tilfældet. "

Det nye origami -mønster opnår sin morphing -evne ved et redesign af geometrien på to af de fire planer, der udgør en sektion af origami. Ved at krympe de to fly på den ene side, det gør det muligt for deres folder at skifte fra et bjerg til en dal, eller med andre ord, at folde i den modsatte retning.

Og vigtigst af alt, overgangen fra spids til dal kan forekomme, uanset om origamien er dannet af et fleksibelt materiale såsom papir eller et stift materiale såsom metal.

Det betyder, for eksempel, at origami-baserede strukturer, der bruges til akustiske systemer-som allerede er i stand til at ekspandere og trække sig sammen for at øge eller reducere lydresponsens volumen-kunne gå et skridt videre, ændre hvordan de bøjer for potentielt at tilbyde et endnu større udvalg af resonansresponser. I eksemplet med dronestyrtsikringssystemet, det nye origami -mønster kan muligvis tilbyde andre tilpasningsmuligheder eller ændre aspekter af dets slagfasthed, Sagde Paulino.

"NSF's investeringer i fundamental forskning af arkitektonerede materialer har rykket grænserne og skabt 'formskiftende' strukturer til anvendelser inden for rumudforskning, robotik og medicin, " sagde Robert B. Stone, NSF's Civil, Divisionsdirektør for Mekanisk og Manufacturing Innovation.

Det nye origamimønster er også i stand til at antage en hybridstruktur, hvor visse rækker foldes til en konfiguration og andre blev foldet i den anden. I en sådan konfiguration, strukturen ville udvise karakteristika af begge typer.

"Der er et stort antal kombinationer med hensyn til, hvordan disse kunne konfigureres, som giver mange tilpasningsmuligheder for strukturer baseret på morfmønsteret, "sagde Ke Liu, en tidligere kandidatstuderende ved Georgia Tech og nu postdoc ved California Institute of Technology.

En anden unik egenskab ved morfmønsteret er, hvad der sker, når en Miura-ori række er placeret mellem to æggekasserækker. Typisk, når spændingen påføres for at trække et af mønstrene fra hinanden, de reagerer ved at give efter og flade deres form. Imidlertid, i dette nye tilfælde, Miura-ori mønsteret låses på plads.

"Låsen er meget stærk, og der er ingen anden måde at bryde denne holdning på end at rive hele strukturen fra hinanden, "sagde Phanisri Pratapa, en tidligere postdoktor ved Georgia Tech og nu adjunkt i civilingeniør ved Indian Institute of Technology Madras.

Låsen kan sætte strukturer i stand til at begrænse den mulige ekspansion og ændre denne grænse i farten, sagde Pratapa.