Dieser Mensch

Dec 23, 2023

Max G. Levy

An einem strahlenden Apriltag stieg David Melancon auf dem Rasen der Harvard-Universität mit einem Tisch aus einem weißen Plastikzelt. Dann ein anderer. Dann unternahm er einige Reisen, um 14 Stühle herzustellen. Dann ein Fahrrad, gefolgt von einer gelben Fahrradpumpe. Schließlich trug er einen großen orangefarbenen Shop-Vac hervor. Melancon, ein Doktorand in angewandter Mathematik, schloss dann die provisorische Tür des Zeltes hinter sich. So nannte sein Team seine Demonstration „Clownauto“ – ein Beweis dafür, dass eine große Anzahl von Gegenständen in ein Zelt passte, das nur wenige Augenblicke zuvor aus einem flachen Stapel Plastik von der Größe einer Doppelmatratze bestand und dann aufgeblasen wurde in einen Origami-inspirierten Unterschlupf.

Wissenschaftler sinnieren über Origami. Die uralte Praxis, flaches Papier zu Kunstwerken zu falten, weckt den grundlegenden Drang, aus fast nichts etwas zu machen. Für erfinderische Baumeister geht es beim Origami heute weniger um Papierschwäne, sondern mehr darum, nützliche Strukturen auf kleinstem Raum unterzubringen. Und laut Maslows Pyramide, die die Hierarchie der Bedürfnisse einordnet, gibt es nur wenige Dinge, die nützlicher sind als eine Unterkunft. (Wahrscheinlich sollten Sie die Origami-Kreation eines Ingenieurs weder essen noch trinken.)

„Es gibt eine Reihe von Situationen – zum Beispiel Notfälle –, in denen man eine Struktur braucht“, sagt Katia Bertoldi, Melancons Beraterin und Professorin für angewandte Mechanik in Harvard. Beispielsweise benötigen Menschen, die durch Naturkatastrophen vertrieben wurden, sofortige Unterkünfte. „Ich kann einen Schuppen bauen, und dann ist er da. Aber wenn ich dann umziehen muss, zerlege ich es entweder oder ich verschiebe dieses riesige Volumen. Es ist sehr unpraktisch“, fährt sie fort. Die Reduzierung dieses Volumens mit „entfaltbaren“ Origami-Strukturen – die sich von kleinen, beweglichen Volumina zu größeren, nützlichen Volumina entfalten – löst dieses Problem.

Wie lässt sich eine Notunterkunft problemlos einrichten? Stellen Sie sich vor, Sie blasen einen gefalteten Ballon auf, um eine verborgene 3D-Form zu entfalten. Es ist ein eleganter Trick, aber ein Ballon behält seine Form nicht, wenn man den Luftdruck wegnimmt. Ein eigenständiges Origami muss bistabil sein. Das Wort wird in der Elektronik und Informatik oft verwendet, um einen Schaltkreis mit zwei stabilen Zuständen zu beschreiben, aber im mechanischen Design bedeutet es im Wesentlichen, dass die Struktur sowohl im flachen als auch im ausgedehnten Zustand stabil sein muss. Es müsste im gefalteten Zustand seine Form behalten und auch im entfalteten Zustand so bleiben, ohne Luft einzuschließen. Es gebe aufblasbares Origami und bistabiles Origami, sagt Bertoldi, „aber sie wurden nie in einem einzigen Konzept vereint.“

In den letzten drei Jahren hat Bertoldis Team die grundlegenden geometrischen, physikalischen und bautechnischen Hindernisse dekonstruiert, um dieses Konzept zu verwirklichen. Und letzten Mittwoch präsentierten sie in der Zeitschrift Nature eine beispiellose Sammlung bistabiler aufblasbarer Origami. Die entweder aus Pappe oder gewellten Kunststoffplatten gefalteten Teile rasten durch den Druck einer Luftpumpe ein und halten sich auch ohne ihn. Einige der Exemplare haben die Größe eines Schmuckstücks und sehen aus wie Sternenexplosionen oder dreieckige Glückskekse. Andere sind viel größer, etwa menschengroße Bögen. Eines sticht heraus: ein 8 Fuß hoher Unterstand mit einem 8 Fuß breiten achteckigen Boden und einer Tür, der aus einem einzigen Material besteht.

Aufblasen eines kleinen Prototyps einer bistabilen Origami-Struktur.

Experten halten diesen Schritt von der Theorie zur Struktur für eine vielversprechende Idee für die Unterbringung von Menschen an Naturkatastrophenstandorten. „Es ist eine aufregende Arbeit“, sagt Joseph Choma, außerordentlicher Professor für Architektur und Gründer des Design Topology Lab an der Clemson University. Choma, ein Experte für faltbare Strukturen und Materialien, der nicht an Bertoldis Projekt beteiligt war, sagt, die Welt brauche eine intelligentere Katastrophenhilfe-Architektur, „insbesondere solche, die flach verpackt, eingesetzt und dann wieder flach verpackt werden kann“.

„Oft“, fährt er fort, „werden diese Dinge gebaut, aber dann bleiben sie zurück oder werden zerstört.“

„Es ist eine großartige Brücke zwischen der Origami-Mechanik – der Geometrie – und dem eigentlichen Weg zu einer großformatigen Struktur. Das kommt ziemlich selten vor“, sagt Ann Sychterz, Assistenzprofessorin für Bauingenieurwesen an der University of Illinois-Urbana Champaign, die nicht an der Studie beteiligt war. Sychterz ist auf einsatzfähige Shelter-Designs spezialisiert. „Um diese Arbeit tatsächlich in die Praxis umzusetzen, sind dies die notwendigen Schritte“, sagt sie.

Gregory Barber

Adrienne So

Matt Simon

Julian Chokkattu

Bertoldi weist darauf hin, dass wir bereits über einen bekannten einsetzbaren Unterschlupf verfügen: Campingzelte. Leichte, dicht gepackte Zelte erleichtern das Rucksackwandern durch die Wildnis. Der Zusammenbau in einem geschlossenen Raum erfordert jedoch Zeit. Sie müssen Metallstangen miteinander verbinden, sie durch schmale Löcher im Stoff fädeln und alles an Ort und Stelle befestigen. Der Massenaufbau von stangenbasierten Strukturen erfordert noch mehr Zeit und Hände. Eine ideale Notunterkunft ist schnell aufgebaut, wenn sie benötigt wird, und schnell wieder abgebaut, wenn sie woanders benötigt wird.

Für sich genommen haben Origami-Deployables ein ähnliches Problem. Der Übergang von 2D zu 3D erfordert die Pflege jeder Falte. „Der knifflige Teil von Origami besteht darin, dass man normalerweise jedes Scharnier betätigen muss, sodass die Betätigung sehr umständlich wird“, sagt Bertoldi.

Für die Vorderseiten des Tierheims verwendete das Team Plastikfolien oder Pappe, aber der Origami-Zauber entsteht an den Scharnieren. Die Flächen lassen sich nicht verbiegen, also muss etwas nachgeben. Die Scharniere bestanden entweder aus doppelseitigem Klebeband, das lasergeschnittenen Karton verband, oder aus mechanisch in Plastikfolien eingekerbten Linien. Dadurch kann sich die Struktur für Inflation und Deflation um sich selbst biegen. Und damit alle Scharniere automatisch einrasten, entschied ihr Team, dass sie die Falten vielleicht einfach alle auf einmal mit Luftdruck aufblasen könnten.

Aber das Einblasen von Luft in ein aufblasbares Objekt ähnelt eher dem Zusammendrücken einer Feder als dem Zusammenbau eines Gebäudes. Es ist nicht bistabil. „Man komprimiert es und es verformt sich“, sagt Bertoldi. „Aber sobald man die Last wegnimmt, springt es zurück.“ Mit anderen Worten: Man kann ein gefaltetes Bündel Pappe mit der Kraft des Luftdrucks verformen und in ein aufblasbares Zelt verwandeln, muss dann aber darauf achten, dass die Luft drin bleibt – was natürlich eine Tür ausschließt.

Bei der Stabilität geht es darum, überschüssige Energie zu minimieren: Ein Ball, der in einem Tal geparkt wird, ist stabiler als einer auf halber Höhe eines steilen Hügels. Bistabilität bedeutet, eine Struktur so zu gestalten, dass ihre Energiebarriere oder die Energiemenge, die erforderlich ist, um sie in ihren aufgeblasenen oder entleerten Zustand zu verriegeln, genau richtig ist. Die Barriere darf nicht zu hoch sein, sonst lässt sie sich nicht aufblasen. Aber die Barriere darf auch nicht zu niedrig sein, denn dann könnte ein Windstoß sie einstürzen lassen: „Sie wird zurückklappen und die Luft ablassen“, sagt Bertoldi.

„Man muss die Energiebarriere sorgfältig entwerfen“, fährt sie fort. „Und das macht den größten Teil des Ingenieurspiels aus.“

Bertoldis Team entwarf seine Strukturen mit dreieckigen Flächen; Die Energiebarriere für jede Struktur hing von der Form dieser Dreiecke, der Geometrie ihrer Verbindung und ihren Baumaterialien ab. Zuerst machten sie Berechnungen, dann handgroße physische Prototypen in Form von Bögen und Sternenexplosionen, tüftelten an verschiedenen Baumaterialien und suchten nach dem idealen Punkt für die Energiebarriere. „Wir haben drei Jahre gebraucht, um der Sache wirklich auf den Grund zu gehen und die geometrische Analyse und den experimentellen Teil herauszufinden – wie man es baut“, sagt Bertoldi. Jede Entscheidung, vom Knickwinkel über das Obermaterial bis zur Scharnierkonstruktion, fügte eine Variable hinzu, die Versuch und Irrtum erforderte. „Es gab viele Misserfolge. Mehr und mehr."

Aufblasen eines mittelgroßen Prototyps der Origami-Notunterkunft (beschleunigt).

Irgendwann machte etwas Klick. Buchstäblich. Wenn man an den gefalteten Strukturen zieht, um sie auszudehnen, „hört man an einem bestimmten Punkt ein Klicken“, erinnert sich Bertoldi. Sie vergleicht dieses Gefühl mit dem, das man von diesen Schnapparmbändern aus den 1990er-Jahren bekommt: „Es ist etwas, das man wirklich mit den Händen spüren kann.“

Die jahrelange Arbeit an Design- und Fertigungsdetails beschleunigte sich, als das Team einen größeren Bogen baute. Zusammengeklappt ist ihr größter Bogen nur 20 Zentimeter hoch und 30 Zentimeter breit – so groß wie ein paar übereinander gestapelte Bildbände – und ist im weiteren Verlauf dreimal so hoch und fünfmal so lang. „Das war eine Art Wendepunkt“, sagt Bertoldi. „Das bedeutet, dass wir eine einfache Strategie haben, die sauber ist und funktioniert.“

Gregory Barber

Adrienne So

Matt Simon

Julian Chokkattu

Innerhalb von drei Monaten waren zwei ihrer Schüler bereit, ihre Notunterkunft vorzuführen. Melancon und sein Laborkollege Benjamin Gorissen standen auf einem Indoor-Basketballplatz in Harvard mit einer Ziehharmonika aus großen weißen Plastikfolien – dem abgeflachten Prototyp – und stellten die dicht gepackten Folien aufrecht nahe der Dreipunktlinie auf und schalteten eine Pumpe ein. Es blähte sich schnell in alle Richtungen auf. Ein dreieckiges Dach ragte darüber empor; Und aus dem Nichts tauchten die Umrisse einer Tür auf – einer Origami-Form entsprechend. Sie schalteten die Pumpe ab und der Origami-Unterstand stand unbeirrt auf dem Platz. Diese Struktur erstreckte sich über eine Breite von etwa 2,5 Metern nach oben – breit genug für ein kalifornisches Kingsize-Bett und höher als Shaq. Später filmten sie ihre „Clownauto“-Enthüllung darüber, wie viel ein Tierheim wie dieses aufnehmen kann.

Origami in große Strukturen zu integrieren, sei ein recht neuer Trend, sagt Sychterz, aber ein vielversprechender. „Wenn es eine Notsituation ist, kann man viele davon auf die Baustelle bringen und sie dann aufblasen“, fügt Sychterz hinzu. „Es ist also großartig, das zu zeigen, denn die ursprüngliche Form ist offensichtlich sehr, sehr kompakt.“

„Das ist noch ein Prototyp“, fährt sie fort. „Die nächsten Fragen danach lauten: Wie machen wir es tatsächlich nicht nur massenproduzierbar, sondern auch robuster und widerstandsfähiger gegenüber Naturkatastrophen?“ Die Wiederverwendung eines Schutzraums wird von entscheidender Bedeutung sein – die Strukturen sollten vielen Zyklen von Inflation, Deflation und flachem Packen standhalten, um viele auf einmal transportieren zu können. Zehn- oder hundertmal größere Strukturen als dieser Machbarkeitsnachweis wären auch für die Katastrophenhilfe wertvoll. Die vergrößerte mechanische Belastung würde jedoch weit über das hier getestete Maß hinausgehen.

Choma stimmt zu, dass die Lösung, wie Origami zu großen, starren Strukturen aufgeblasen werden kann, auch den Bau dauerhafter Gebäude beeinflussen könnte. „Mehr oder weniger vierzig Prozent des Kohlenstoffs auf der Welt stammen aus der bebauten Umwelt“, sagt Choma und verweist auf aktuelle globale Schätzungen, dass der Betrieb und die Errichtung von Gebäuden einen enormen Anteil an den Treibhausgasemissionen ausmachen. Choma arbeitet an einem Projekt in Kenia, bei dem seine faltbaren Strukturen in diesem Jahr als wiederverwendbare Formen für über 700 Betonsäulen in einem Gebäude verwendet werden. Dadurch würden die Emissionen verringert, indem der Bedarf an weniger nachhaltigen Materialien wie Holz verringert würde.

Choma weist darauf hin, dass sich Origami-Bögen relativ einfach aufstellen lassen, so dass ein aufblasbarer Bogen kein besonders wichtiger Schritt ist, aber ein Unterschlupfkonzept mit einer funktionalen Tür ist spannend. „Das Tierheim ist der radikalste und innovativste Aspekt des Projekts“, sagt Choma. „Außerdem ist es wirklich ziemlich elegant.“

Bertoldi sagt, ihr Team spreche mit Unternehmen über mögliche Verwendungsmöglichkeiten für die Prototypenentwürfe, aber es sei noch sehr früh. Der nächste Schritt für die aufblasbaren Origami-Einsatzgeräte ihres Labors ist eine Software: ein mechanisches Simulationstool zur Vorhersage der richtigen Formen und Materialien. „Wir haben ein paar Formen gezeigt, die sehr interessant sind“, sagt sie. „Aber wie weit können wir gehen?“