I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato strutture di origami multifunzionali, che hanno poi fabbricato in oggetti stampati in 4-D. Il principio di progettazione imita la struttura dell'ala di una forbicina.

Ogni bambino conosce gli origami. L'abilità di quest'arte orientale sta nel piegare un foglio di carta piatto in strutture diverse e in alcuni casi molto complesse. Esistono anche esempi di origami nel mondo naturale. L'ala di una forbicina è un'illustrazione perfetta:il suo design elaborato è molto più ingegnoso di qualsiasi struttura artificiale.

Quando è aperto, l'ala della forbicina si espande dieci volte più di quando è chiusa - uno dei rapporti di piegatura più alti nel regno animale. L'ampia superficie alare consente all'insetto di volare, mentre il modo compatto in cui le ali si ritraggono consente alla creatura di scavare nel sottosuolo senza danneggiare le sue ali.

Il design dell'ala ha un'altra caratteristica unica; però, al suo aperto, stato bloccato l'ala rimane rigida senza bisogno di potenza muscolare per fornire stabilità. Con un solo "click", l'ala si ripiega completamente su se stessa, senza attivazione muscolare.

La simulazione porta una svolta

I ricercatori dell'ETH di Zurigo e della Purdue University hanno studiato il segreto delle ali simili a origami delle forbicine e hanno creato una struttura artificiale che funziona secondo lo stesso principio. Il loro articolo è appena apparso sul giornale Scienza .

Per analizzare la struttura e la funzione dell'ala, l'autore principale dello studio, Jakob Faber del gruppo di ricerca guidato da André Studart, Professore di Materiali Complessi all'ETH di Zurigo, in collaborazione con il Prof. Andres Arrieta della Purdue University ha eseguito una simulazione al computer della funzione dell'ala.

Ciò ha dimostrato che se l'ala dovesse funzionare secondo il classico principio dell'origami, utilizzando rigidi, pieghe diritte con una somma angolare di 360 gradi alle loro intersezioni:la forbicina sarebbe in grado di piegare la sua ala solo fino a un terzo della sua dimensione. Il fattore cruciale nella progettazione dell'ala dell'insetto sono le sue pieghe elastiche, che può funzionare sia come molla di estensione che di rotazione.

I giunti alari sono costituiti da strati di uno speciale biopolimero elastico, resina, la cui disposizione e spessore determina il tipo di molla. In alcuni casi, entrambe le funzioni estensionali e rotazionali sono combinate nella stessa articolazione.

Faber e i suoi colleghi hanno anche esaminato il punto dell'ala della forbicina responsabile della stabilità sia nello stato aperto che in quello chiuso:l'articolazione centrale dell'ala centrale. A questo punto, le pieghe si intersecano ad angoli che sono incompatibili con la rigida teoria degli origami. "Questo punto blocca l'ala in posizione sia nello stato aperto che chiuso, "Faber sottolinea.

Oggetto stampato in 4D

I ricercatori hanno trasferito i risultati delle simulazioni al computer su una stampante 3D multimateriale. Ciò ha permesso loro di produrre direttamente un oggetto 4D composto da quattro lastre di plastica rigida collegate tra loro da un giunto elastico morbido. Le funzioni elastiche delle pieghe di collegamento sono state programmate nel materiale per consentire loro di eseguire movimenti di estensione o rotazione, imitando il modello biologico.

L'ala dell'insetto è stabile quando è aperta, ma si ripiega automaticamente anche al tocco più leggero.

Nel passaggio successivo, i ricercatori hanno trasferito il principio su elementi più grandi e hanno stampato una pinza origami a molla. Questa struttura si auto-piega, si blocca ed è quindi in grado di afferrare oggetti senza necessità di azionamento esterno.

Applicazioni per viaggi nello spazio

La stampa 3D di Faber, gli elementi di origami pieghevoli sono attualmente disponibili solo come prototipi. Una potenziale applicazione potrebbe essere l'elettronica pieghevole. Un'altra area sono i viaggi nello spazio:vele solari per satelliti o sonde spaziali che potrebbero essere trasportate in uno spazio molto piccolo e poi spiegate a grandezza naturale nel luogo di utilizzo. Strutture di origami bioispirate autobloccanti come l'ala delle forbicine farebbero risparmiare spazio, peso ed energia, in quanto non necessitano di attuatori o stabilizzatori aggiuntivi.

I ricercatori dell'ETH possono anche immaginare usi più banali, come tende pieghevoli, mappe o foglietti illustrativi. "Una volta che hai spiegato queste cose, spesso è impossibile ripiegarli nella loro forma originale. Se, d'altra parte, si sono semplicemente ripiegati automaticamente, questo risparmierebbe un sacco di problemi, "dice Faber, con uno sguardo giocoso.