Genom att slå samman den antika origamikonsten med 2000-talets teknologi, forskare har skapat en enstegsmetod för att tillverka komplexa origamistrukturer vars låga vikt, utbyggbarhet, och styrka kan ha tillämpningar i allt från biomedicinska apparater till utrustning som används i rymdutforskning. Tills nu, att skapa sådana strukturer har inneburit flera steg, mer än ett material, och montering från mindre delar.

"Vad vi har här är proof of concept för ett integrerat system för tillverkning av komplex origami. Det har enorma potentiella tillämpningar, sade Glaucio H. Paulino, Raymond Allen Jones ordförande och professor vid School of Civil and Environmental Engineering vid Georgia Institute of Technology och en ledare inom det växande området origamiteknik, eller genom att använda principerna för origami, matematik och geometri för att göra användbara saker. Förra hösten blev Georgia Tech det första universitetet i landet att erbjuda en kurs i origamiteknik, som Paulino lärde ut.

Forskarna använde en relativt ny typ av 3-D-utskrift kallad Digital Light Processing (DLP) för att skapa banbrytande origamistrukturer som inte bara kan hålla betydande vikt utan också kan vikas och vikas om upprepade gånger i en handling som liknar den långsamma tryckningen och drag av ett dragspel. När Paulino först rapporterade dessa strukturer, eller "rör med dragkedja, "år 2015, de var gjorda av papper och krävde limning. I det pågående arbetet, rören med blixtlås – och komplexa strukturer gjorda av dem – är sammansatta av en plast (en polymer) och kräver inte montering.

Arbetet redovisades i ett färskt nummer av Mjuk materia , en tidskrift publicerad av Royal Society of Chemistry. De primära författarna är Paulino; H. Jerry Qi, Woodruff-fakultetsstipendiaten i Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering; och Daining Fang från Peking University och Beijing Institute of Technology. Andra författare är Zeang Zhao, en gäststudent vid Georgia Tech nu vid Peking University; Qiang Zhang från Peking University; och Xiao Kuang och Jiangtao Wu från Georgia Tech.

En ny teknik

Det finns många olika typer av 3D-utskriftstekniker. Den mest bekanta, bläckstråle, har funnits i cirka 20 år. Men tills nu, det har varit svårt att skapa 3-D-tryckta strukturer med de intrikata ihåliga egenskaperna som är förknippade med komplex origami eftersom det är en utmaning att ta bort de bärande material som behövs för att skriva ut dessa strukturer. Ytterligare, till skillnad från papper, de 3-D-tryckta materialen kunde inte vikas flera gånger utan att gå sönder.

Ange DLP och lite kreativ ingenjörskonst. Enligt Qi, en ledare inom det framväxande området som samarbetar med Fangs grupp vid Peking University, DLP har varit i labbet ett tag, men kommersialiseringen började bara för cirka fem år sedan. Till skillnad från andra 3D-utskriftstekniker, den skapar strukturer genom att skriva ut på varandra följande lager av ett flytande harts som sedan härdas, eller härdat, med ultraviolett ljus.

För det aktuella arbetet, forskarna utvecklade först ett nytt harts som, när det är botat, är mycket stark. "Vi ville ha ett material som inte bara är mjukt, men kan också vikas hundratals gånger utan att gå sönder, " sa Qi. Hartset, i tur och ordning, är nyckeln till en lika viktig del av arbetet:små gångjärn. Dessa gångjärn, som uppstår längs vecken där origamistrukturen veck, tillåter vikning eftersom de är gjorda av ett tunnare lager av harts än de större panelerna som de är en del av. (Panelerna utgör huvuddelen av strukturen.)

Tillsammans fungerade det nya hartset och gångjärnen. Teamet använde DLP för att skapa flera origamistrukturer, allt från de individuella origamicellerna som de blixtlåsförsedda rören består av till en komplex bro som består av många blixtlåsförsedda rör. Alla utsattes för tester som visade att de inte bara kunde bära cirka 100 gånger vikten av origamistrukturen, men kunde också upprepade gånger vikas och vikas ut utan att gå sönder. "Jag har ett stycke som jag tryckte för ungefär ett halvår sedan som jag visar för människor hela tiden, och det är fortfarande bra, sa Qi.

Vad kommer härnäst?

Vad kommer härnäst? Bland annat, Qi arbetar för att göra utskriften ännu enklare samtidigt som man utforskar sätt att skriva ut material med olika egenskaper. Under tiden, Paulinos team skapade nyligen ett nytt origamimönster på datorn som han är exalterad över men som han inte har kunnat göra fysiskt eftersom det är så komplext. "Jag tror att det nya systemet kan ge det liv, " han sa.