6 Wege im Laufe der Jahrhunderte

Oct 27, 2023

Origami mag für Wissenschaftler und Ingenieure wie eine unwahrscheinliche Inspirationsquelle erscheinen, doch die jahrhundertealte japanische Kunst des Papierfaltens steckt hinter allerlei neuen Innovationen. Das liegt daran, dass die subtile Schönheit von Origami auf leistungsstarken mathematischen Prinzipien beruht, die in der Welt von Metall und Kunststoff genauso gut funktionieren wie in Papier.

„Wir können auf Ideen, Strukturen und Mechanismen zurückgreifen, die in der Welt des Origami bereits existieren“, sagt Robert Lang, ein ehemaliger NASA-Physiker und Berater mit Erfahrung in Origami. „Wir können aber auch mathematische Werkzeuge nutzen, die die Faltung beschreiben und es uns ermöglichen, künstlerisches Origami zu entwerfen, um neue Faltstrukturen zu schaffen, die gezielt technische Probleme lösen.“

Mit Origami ist es möglich, große Strukturen zu schaffen, die sich zum Transport zusammenfalten oder in kleine Räume quetschen lassen. Und aus den komplizierten Faltmustern lassen sich komplexe mechanische Systeme herstellen, deren Bewegungen von einem einzigen Motor gesteuert werden können.

Hier sind sechs neue, von Origami inspirierte Geräte:

Der Robotiker der Harvard University, Robert Wood, hat kürzlich Origami verwendet, um einen Greifer zum Fangen empfindlicher Tiefseelebewesen zu entwerfen. Die fünf Arme des Geräts verfügen über miteinander verbundene Fünfecke und Dreiecke, die sich zu einem zwölfseitigen Behälter zusammenfalten lassen, der zum Fangen weicher Meerestiere wie Quallen und Kraken dient, ohne ihnen Schaden zuzufügen.

Der Greifer, der an einem Roboter-U-Boot befestigt werden kann, faltet seine Arme mit Hilfe eines einzigen Motors. Das ist wichtig, denn weniger Komponenten bedeuten, dass es in der Tiefseeumgebung weniger Fehler gibt. „Einfachheit ist der Schlüssel“, sagt Wood. „In einer so rauen Umgebung möchte man keine allzu komplizierten Mechanismen haben.“

Herkömmliche kugelsichere Schilde, die von der Polizei verwendet werden, können 90 Pfund oder mehr wiegen und nur einer Person Schutz bieten. Doch ein Team von Ingenieuren der Brigham-Young-Universität hat mithilfe von Origami einen 55 Pfund schweren Schutzschild entworfen, der breit genug ist, um mehrere Personen zu schützen, und der dennoch in eine Form gefaltet werden kann, die problemlos in den Kofferraum eines Autos passt.

Das spezifische Faltmuster, das den Entwurf inspirierte, reicht fast 100 Jahre zurück, sagt Larry Howell, Professor für Maschinenbau an der Universität und Leiter des Teams. Aber es bedurfte einiger Optimierungen, damit sich der dicke, kugelsichere Stoff wie Papier falten ließ. Die Ingenieure haben starre Platten in den Stoff eingenäht, und die weichen Bereiche zwischen den Platten wirken wie Scharniere.

Bei Raumfahrzeugen ist der Platz knapp. Also baute Jaakko Karras, ein Ingenieur am Jet Propulsion Laboratory der NASA, einen einfachen Planetenrover mit Rädern aus zusammengefalteten Leiterplatten – die sowohl die Struktur des Roboters als auch sein Steuerungssystem bilden.

Die Räder des Rovers sind so konzipiert, dass sie sich für den Weltraumflug fest zusammenklappen und dann wieder an ihren Platz zurückschwenken, wenn das Raumschiff sein Ziel erreicht. Wenn der Roboter auf einem fernen Planeten auf engstem Raum unterwegs ist, kann er seine Räder wieder einklappen, um sich hindurchzuzwängen.

Karras glaubt, dass mehrere der kleinen, sehr manövrierfähigen Rover die größeren, teureren Rover, auf die sich die NASA in den letzten Jahren verlassen hat, ersetzen oder neben ihnen eingesetzt werden könnten. „Wir können ein neues Paradigma eines Schwarms kleiner Rover anstelle eines einzelnen, hochwertigen großen Rovers verfolgen“, sagt er.

Karras entwickelt derzeit Software zur Kontrolle solcher Schwärme in der Hoffnung, dass sie bei zukünftigen NASA-Missionen fliegen werden.

Was wäre, wenn Sie einen Roboter verschlucken könnten, der sich in Ihrem Körper bewegen könnte, um einfache chirurgische Eingriffe durchzuführen? Ein solches Szenario könnte der Realität näher kommen, als Sie sich vorstellen können, nachdem Forscher am MIT nun einen von Origami inspirierten Bot entwickelt haben, der sich klein genug zusammenfalten lässt, um in eine Pille zu passen; Sobald es sich im Körper befindet, entfaltet es sich und steuert mithilfe externer Magnete seinen Weg durch den Darm.

Die Forscher testeten erfolgreich die Fähigkeit des Bots, eine Batterie aus einem realistischen Nachbau eines Magens zu entfernen. Aber Daniela Rus, die Leiterin der Gruppe, die den kleinen Bot entwickelt hat, sagte Forbes letztes Jahr, dass es sechs Jahre dauern könnte, bis die für die Perfektionierung des Geräts erforderlichen Tier- und Menschentests durchgeführt sind.

Es ist bekanntermaßen schwierig, Exoplaneten zu beobachten, weil die Sterne, die sie umkreisen, so viel Licht aussenden – es ist ein bisschen so, als würde man versuchen, ein Staubkorn in der Nähe einer Glühbirne schweben zu sehen. Daher entwickeln Ingenieure des Jet Propulsion Lab einen riesigen blütenförmigen Schirm für den Einsatz mit Weltraumteleskopen. Der Schirm würde beim Start zusammengeklappt und dann im Weltraum entfaltet werden, bevor er vor einem umlaufenden Weltraumteleskop positioniert würde, um das Sternenlicht zu blockieren und detaillierte Beobachtungen von Exoplaneten zu ermöglichen.

„Es ist eine unglaublich präzise geformte Form“, sagt Lang über den Schirm. „Und wenn das Ganze geöffnet ist, muss es eine unglaublich hohe Präzision bei der Positionierung erreichen.“

Die Ingenieure ließen sich beim Design von einem Origami-Muster namens „Flasher“ inspirieren, das ein großes Blatt zu einem dicht gepackten Zylinder zusammenfalten lässt. Prototypen des Schirms werden derzeit an der Princeton University von Forschern getestet, die bei dem Projekt mit der NASA zusammenarbeiten.

Herkömmliche Roboter haben starre Körper und bewegen sich ruckartig oder auf andere Weise, wodurch in der Nähe befindliche Menschen verletzt werden können. Daher haben Forscher an der Entwicklung „weicher“ Roboter gearbeitet. Woods‘ Team in Harvard hat mithilfe von Origami weiche künstliche Muskeln geschaffen, die solche Bots antreiben könnten.

Die Muskeln bestehen aus gefalteten „Skeletten“, die von mit Flüssigkeit gefüllten Säcken umgeben sind. Wenn an die Säcke ein Vakuum angelegt wird, kollabieren die Skelette auf vorhersehbare Weise, sodass sich der Muskel ähnlich wie ein echter Muskel zusammenziehen kann.

Die künstlichen Muskeln befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, doch Tests haben gezeigt, dass sie bis zum 1.000-fachen ihres eigenen Gewichts heben können.

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