Amsterdamse en Leidse onderzoekers hebben een nieuwe methode voor het vouwen van materiaal ontwikkeld die in de toekomst mogelijk is in te zetten voor de productie van opvouwbare robots en zonnepanelen. De methode is geïnspireerd op de Japanse vouwkunst origami.
Volgens onderzoeker Van Hecke is de methode in de toekomst toe te passen op robots, voor uitvouwende zonnepanelen van satellieten en mogelijk in slimme materialen met programmeerbare eigenschappen. Ook kunnen de ontdekte principes inzicht geven in natuurlijk voorkomende vouwsels, zoals membranen of eiwitten.
‘Natuurkunde is niet alleen quantummechanica en zwarte gaten, zelfs het vouwen van papier levert raadsels op, al is daarvan nu één opgelost’, stellen de onderzoekers Peter Dieleman, Nick Vasmel, Scott Waitukaitis en Martin van Hecke van het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION) en het Amsterdamse AMOLF.
De centrale vraag in hun onderzoek: hoe breng je de vouwen op een vel papier zó aan dat het op twee, precies voorgeprogrammeerde manieren is te vouwen? De onderzoekers laten zien hoe dat kan met hulp van een ‘alfabet’ van 140 elementaire vouwpuzzelstukjes, die ze beschrijven in een wetenschappelijk artikel in Nature Physics. De ontdekking kan helpen bij het bouwen van robots, en is een stap naar het ontwerpen van slimme, programmeerbare materialen, stellen ze.
140 puzzelstukjes
Zij ontdekten de methode voor het doelgericht ontwerpen van rigid origami. Daarbij wordt een plat vlak opgedeeld in stijve segmenten die alleen langs rechte lijnen vouwen – belangrijk voor technologische toepassingen van origami. ‘Het is lastig zo’n vouwpatroon te ontwerpen’, zegt Martin van Hecke. ‘De meeste patronen wringen en leveren niets op.’
Tot nog toe waren er maar een paar vouwbare rigid origami–patronen bekend, waaronder miura-ori, een visgraatpatroon uit de Japanse origami-vouwkunst. Op zoek naar meer vouwbare patronen, besloten de Leids-Amsterdamse onderzoekers uit te gaan van patronen waarbij in elk kruispunt steeds vier vouwen samenkomen.
Uitgaand van een kleine basisverzameling van kruispunten, vonden de onderzoekers een manier om ze te combineren tot ’tegels’ met in elke hoek een kruispunt. Door alle mogelijke combinaties te testen, ontdekten ze 140 basis-vouwpuzzelstukjes die gegarandeerd kunnen vouwen. Dit zijn de letters in het origami-alfabet.
Legpuzzel
Om vervolgens een gegarandeerd vouwbaar patroon te maken, hoef je die tegels alleen nog maar te combineren, als de stukjes van een legpuzzel. Welke stukjes op elkaar aansluiten is gecodeerd in een ingenieus systeem van in elkaar grijpende in- en uitstulpingen. Al puzzelend met de verschillende tegels herontdekten de onderzoekers de klassieke vouwpatronen, zoals dus het beroemde miura ori-patroon. Maar vooral levert de vouwtegel-legpuzzel een schat aan nooit eerder ontdekte vouwpatronen op.
Programmeerbare vouwpatronen
Alle puzzel-vouwpatronen blijken bovendien op minstens twee verschillende manieren te kunnen vouwen, waardoor een vouwpatroon meerdere vormen kan bevatten. Deze vormen zijn precies te programmeren door de tegels in de juiste combinaties aan elkaar te klikken. Om dat te demonstreren, ontwierpen de onderzoekers een patroon dat op twee manieren kan vouwen: in de vorm van de Griekse letter alfa, en in de vorm van de letter omega. Met een laserplotter brachten ze dit vouwpatroon aan op een vel van stijf plastic, dat daarna inderdaad netjes op precies twee manieren te vouwen is: als een alfa en een omega
