ETH Zürich-forskare har utvecklat multifunktionella origamistrukturer, som de sedan tillverkade till 4D-tryckta objekt. Designprincipen efterliknar strukturen hos en örontvists vinge.

Alla barn känner till origami. Förmågan med denna orientaliska konst ligger i att vika ett platt pappersark till olika - och i vissa fall mycket komplexa - strukturer. Exempel på origami finns också i den naturliga världen. Vingen på en örontvist är en perfekt illustration:dess utarbetade design är mycket mer genialisk än någon konstgjord struktur.

När den är öppen, örontvistsvingen expanderar tio gånger större än när den är stängd - en av de högsta vikningsförhållandena i djurriket. Det stora vingområdet gör att insekten kan flyga, medan det kompakta sättet som vingarna dras in gör att varelsen kan tunnla under jorden utan att skada vingarna.

Vingdesignen har en annan unik egenskap; dock, i dess öppna, låst tillstånd vingen förblir stel utan behov av muskelkraft för att ge stabilitet. Med bara ett "klick", vingen viks in i sig själv helt, utan muskelaktivering.

Simulering ger ett genombrott

Forskare vid ETH Zürich och Purdue University har studerat hemligheten med örontvistens origamiliknande vingar och har skapat en konstgjord struktur som fungerar enligt samma princip. Deras papper har precis dykt upp i tidskriften Vetenskap .

För att analysera vingstrukturen och funktionen, studiens huvudförfattare, Jakob Faber från forskargruppen ledd av André Studart, Professor för komplexa material vid ETH Zürich, i samarbete med Prof. Andres Arrieta från Purdue University utförde en datorsimulering av vingens funktion.

Detta visade att om vingen skulle fungera enligt den klassiska origamiprincipen - med stela, raka veck med en vinkelsumma på 360 grader i sina skärningar - örontvisten skulle bara kunna vika ner sin ving till en tredjedel av sin storlek. Den avgörande faktorn i utformningen av insektens vinge är dess elastiska veck, som kan fungera antingen som en förlängnings- eller rotationsfjäder.

Vingfogarna är gjorda av lager av en speciell elastisk biopolymer, resilin, vars arrangemang och tjocklek bestämmer fjädertypen. I vissa fall, både extensions- och rotationsfunktioner kombineras i samma led.

Faber och hans kollegor undersökte också punkten i örontvistens vinge som är ansvarig för stabilitet i både öppet och stängt tillstånd:den centrala mittvingeleden. Vid denna tidpunkt, vecken skär varandra i vinklar som är oförenliga med stel origami-teori. "Denna punkt låser vingen på plats i både öppet och stängt tillstånd, " betonar Faber.

4D-utskrivet objekt

Forskarna överförde resultaten av datorsimuleringarna till en 3D-skrivare med flera material. Detta gjorde det möjligt för dem att direkt tillverka ett 4D-objekt bestående av fyra styva plastplattor förbundna med varandra med en mjuk elastisk fog. Förbindningsveckens fjäderfunktioner programmerades in i materialet för att göra det möjligt för dem att utföra förlängnings- eller rotationsrörelser, efterlikna den biologiska modellen.

Insektens vinge är stabil när den är öppen, men fälls ihop automatiskt även vid den lättaste beröring.

I nästa steg, forskarna överförde principen till större element och tryckte en fjäderorigamigripare. Denna struktur viker sig själv, låser och kan då greppa föremål utan behov av extern aktivering.

Ansökningar för rymdresor

Fabers 3D-utskrivna, självvikbara origamielement är för närvarande endast tillgängliga som prototyper. En potentiell tillämpning kan vara hopfällbar elektronik. Ett annat område är rymdresor:solsegel för satelliter eller rymdsonder som skulle kunna transporteras inom ett mycket litet utrymme och sedan vecklas ut till sin fulla storlek på sin användningsplats. Självlåsande bioinspirerade origamistrukturer som örontvistsvingen skulle spara utrymme, vikt och energi, eftersom de inte kräver några ställdon eller ytterligare stabilisatorer.

ETH-forskare kan också föreställa sig mer vardagliga användningar, som hopfällbara tält, kartor eller bipacksedlar. "När du har vecklat ut dessa saker, det är ofta omöjligt att vika tillbaka dem till sin ursprungliga form. Om, å andra sidan, de veks helt enkelt igen automatiskt, detta skulle spara mycket krångel, säger Faber, med en lekfull look.