Los investigadores de ETH Zurich han desarrollado estructuras de origami multifuncionales, que luego fabricaron en objetos impresos en 4-D. El principio de diseño imita la estructura del ala de una tijereta.

Todos los niños conocen el origami. La habilidad de este arte oriental radica en doblar una hoja de papel plana en estructuras diferentes, y en algunos casos muy complejas. También existen ejemplos de origami en el mundo natural. El ala de una tijereta es una ilustración perfecta:su elaborado diseño es mucho más ingenioso que cualquier estructura hecha por el hombre.

Cuando está abierto, el ala de la tijereta se expande diez veces más que cuando está cerrada, una de las proporciones de plegado más altas del reino animal. El área grande del ala permite que el insecto vuele, mientras que la forma compacta de las alas se retraen permite a la criatura hacer un túnel bajo tierra sin dañar sus alas.

El diseño del ala tiene otra característica única; sin embargo, en su abierto, En estado bloqueado, el ala permanece rígida sin necesidad de fuerza muscular para proporcionar estabilidad. Con solo un "clic", el ala se pliega completamente sobre sí misma, sin actuación muscular.

La simulación trae un gran avance

Investigadores de ETH Zurich y Purdue University han estado estudiando el secreto de las alas de origami de la tijereta y han creado una estructura artificial que funciona según el mismo principio. Su artículo acaba de aparecer en la revista. Ciencias .

Para analizar la estructura y función de las alas, el autor principal del estudio, Jakob Faber del grupo de investigación dirigido por André Studart, Profesor de Materiales Complejos en ETH Zurich, en colaboración con el Prof. Andrés Arrieta de la Universidad de Purdue realizó una simulación por computadora de la función del ala.

Esto mostró que si el ala operara según el principio clásico del origami, usando rígidos, pliegues rectos con una suma angular de 360 ​​grados en sus intersecciones:la tijereta solo podría doblar su ala hasta un tercio de su tamaño. El factor crucial en el diseño del ala del insecto son sus pliegues elásticos, que puede funcionar como resorte extensional o giratorio.

Las juntas de las alas están hechas de capas de un biopolímero elástico especial, resiliente cuya disposición y espesor determina el tipo de resorte. En ciertas ocasiones, ambas funciones extensionales y rotacionales se combinan en la misma articulación.

Faber y sus colegas también examinaron el punto en el ala de la tijereta que es responsable de la estabilidad tanto en el estado abierto como cerrado:la articulación central del ala media. En este punto, los pliegues se cruzan en ángulos que son incompatibles con la teoría rígida del origami. "Este punto bloquea el ala en su lugar tanto en su estado abierto como cerrado, "Enfatiza Faber.

Objeto impreso 4D

Los investigadores transfirieron los hallazgos de las simulaciones por computadora a una impresora 3D de múltiples materiales. Esto les permitió fabricar directamente un objeto 4D que consta de cuatro placas de plástico rígidas conectadas entre sí mediante una junta elástica blanda. Las funciones de resorte de los pliegues de conexión se programaron en el material para permitirles realizar movimientos de extensión o rotación, imitando el modelo biológico.

El ala del insecto es estable cuando está abierta, pero se pliega automáticamente incluso con el toque más ligero.

En el siguiente paso, los investigadores transfirieron el principio a elementos más grandes e imprimieron una pinza de origami de resorte. Esta estructura se auto-pliega, se bloquea y luego es capaz de agarrar objetos sin necesidad de accionamiento externo.

Aplicaciones para viajes espaciales

Impreso en 3D de Faber, Los elementos de origami auto-plegables actualmente solo están disponibles como prototipos. Una aplicación potencial podría ser la electrónica plegable. Otra área son los viajes espaciales:velas solares para satélites o sondas espaciales que podrían transportarse en un espacio muy pequeño y luego desplegarse a su tamaño completo en su lugar de uso. Las estructuras de origami bioinspiradas autobloqueantes como el ala de la tijereta ahorrarían espacio, peso y energía, ya que no requieren actuadores ni estabilizadores adicionales.

Los investigadores de ETH también pueden imaginar usos más mundanos, como carpas plegables, mapas o prospectos. "Una vez que hayas desplegado estas cosas, a menudo es imposible volver a doblarlos a su forma original. Si, por otra parte, simplemente se replegaron automáticamente, esto ahorraría muchas molestias, "dice Faber, con una mirada juguetona.