Earwig Wings Inspire Researchers to 3D Print Multimaterial, Self-Folding Origami Elements

Otwarte skrzydło ze skrzydełka może się rozszerzyć 10 razy większe niż wtedy, gdy jest zamknięte, co jest jednym z najwyższych współczynników składania w całym królestwie zwierząt. Kompaktowy sposób, w jaki się chowa, pozwala skoszarowanemu tunelowi pod ziemią bez ryzyka uszkodzenia skrzydeł, a kiedy skrzydło jest w otwartym, zablokowanym stanie, pozostaje sztywne bez użycia siły mięśniowej dla stabilności. Skrzydło może wtedy całkowicie złożyć się w sobie jednym kliknięciem, bez konieczności użycia siły mięśniowej.

Nic dziwnego, że zespół wybrał zasady projektowania, które imitują skrzydło skorupy, aby stworzyć wielofunkcyjne, drukowane w 3D struktury origami. Naukowcy badali skomplikowane skrzydła skowiej, przeprowadzając symulacje komputerowe, i opracowali sztuczną strukturę, która wykorzystuje tę samą podstawową zasadę za skrzydłami.

"Po rozłożeniu tych rzeczy często niemożliwe jest ich złożenie wracają do swojego pierwotnego kształtu "- powiedział Jakob A. Faber z Departamentem Materiałów ETH w Zurychu. "Jeśli, z drugiej strony, po prostu zrewidowali się automatycznie, zaoszczędziłoby to wiele kłopotów."

Naukowcy opublikowali niedawno artykuł na temat swojej pracy pod tytułem "Bioinspired spring origami" w czasopiśmie Science. ; współautorami są Faber, profesor Andrés F. Arrieta z Laboratorium Programowalnych Struktur w Szkole Inżynierii Mechanicznej w Purdue oraz profesor André R. Studart, profesor ds. Materiałów Złożonych w ETH Zurich.

Streszczenie brzmi , "Origami umożliwia składanie obiektów w różne kształty w sztuce, inżynierii i systemach biologicznych. W przeciwieństwie do dobrze znanych przedmiotów złożonych z papieru, skrzydło skorki ma znakomity naturalny system składania, który nie może być wystarczająco opisany przez obecne modele origami. Taki niecodzienny system biologiczny wyświetla niekompatybilne wzory składania, pozostaje otwarty przez bistabilny mechanizm blokujący podczas lotu i samoczynnie fałduje się bez użycia mięśni. Pokazujemy, że te godne uwagi funkcjonalności wynikają z bogatych w białko stawów w skrzydle ze skorek, które działają jako sprężyny rozciągające i rotacyjne pomiędzy fasetami. Zainspirowany tym biologicznym skrzydłem, tworzymy model origami wiosenny, który poszerza składaną przestrzeń projektową tradycyjnego origami i pozwala na wykonanie dokładnie przestrajalnych, czterowymiarowych obiektów z zaprogramowanymi funkcjami morfingu opartymi na bioinie. "

Symulacje te pokazały, że jeśli skrzydło skorupy działa z klasyczną zasadą origami użyciaproste, sztywne fałdy z kątową sumą 360 ° na skrzyżowaniach mogą złożyć się tylko do jednej trzeciej jego wielkości. Ważną rzeczą do zapamiętania na temat skrzydła skorupy jest to, że elastyczne fałdy są w stanie działać jako sprężyny obrotowe lub rozciągające, co wykracza poza zasadę origami: niektóre kształty po prostu nie mogą zostać utworzone przy użyciu standardowych fałd.

Czasami funkcje rotacyjne i ekstrezyjne mogą być łączone w tym samym złączu. Stawy usztywniające uszko są uformowane z warstw resiliny, elastycznego biopolimeru, który określa rodzaj sprężyny na podstawie jej grubości i rozmieszczenia.

Dodatkowo, naukowcy zbadali centralne połączenie środkowo-skrzydłowe skorupy, które określa jej stabilność zarówno w stanie zamkniętym, jak i otwartym. Skrzydłowe fałdy przecinają się pod kątami, co nie pasuje do tradycyjnej teorii origami.

Faber wyjaśnił: "Ten punkt blokuje skrzydło w miejscu zarówno w stanie otwartym, jak i zamkniętym."

Po przeniesieniu wyników symulacji komputerowych do wielomateriałowej drukarki 3D, zespół był w stanie wyprodukować drukowany obiekt 4D z czterema sztywnymi plastikowymi płytkami, połączonymi miękkim, elastycznym złączem. Funkcje sprężyn fałdowych zostały właściwie zaprogramowane bezpośrednio w materiale, dzięki czemu obiekt może naśladować skrzydło ucha - które jest stabilne po otwarciu, ale fałduje się automatycznie po dotknięciu - wykonując ruchy obrotowe lub ekstensywne.

Zespół użył membrana, która pozwala na zmienną sztywność i odkształcenia, aby odtworzyć składane skrzydełko na uszach.

Następnie naukowcy przenieśli swoją zasadę projektowania na jeszcze większy element, a 3D wydrukował sprężynowy chwytak origami, który może składanie, blokowanie i chwytanie obiektów bez użycia zewnętrznego mechanizmu.

Obecnie zadrukowane w 3D elementy składane w origami są tylko prototypami. Ale myślę, że wypowiadam się za obozowiczami wszędzie, kiedy mówię, że chciałbym kiedyś zobaczyć składany namiot oparty na tych zasadach projektowania