Приложения могут быть результатом реконфигурируемых и перепрограммируемых оригами-трубок, разработанных исследователями из трех институтов, включая Технологический институт Джорджии. Изменяя способы складывания бумаги, одна и та же трубка может иметь шесть или более различных поперечных сечений. Хотя модели теперь реконфигурируются вручную, магнитные или электрические приводы могут вносить изменения, когда трубки используются в реальных приложениях.
Трубки можно сложить в плоском виде для транспортировки и изготавливать в различных размерах от наномасштаба до архитектурного масштаба. Развивая математическую теорию складывания, исследователи могут проектировать трубы с точными свойствами, необходимыми для инженеров-электриков, инженеров-строителей или других пользователей. На трубках используется узор Миура-ори, один из многих уникальных узоров, используемых в оригами.
«Мы разработали новый тип оригами-трубы, которую можно реконфигурировать для получения множества различных поперечных сечений», – сказал Глаусио Паулино, профессор Школы гражданской и экологической инженерии Технологического института Джорджии. «Мы также разработали соответствующую математическую теорию, которая позволяет нам проектировать трубки и предсказывать, как их можно реконфигурировать или перепрограммировать.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом и опубликовано 27 января в Трудах Королевского общества. Помимо Паулино, в исследовательскую группу входили Евгений Филипов, аспирант Иллинойского университета в Урбана-Шампейн и профессор Токийского университета Томохиро Тачи.
Изготовление трубок начинается с надрезания бумаги в устройстве, напоминающем компьютерный принтер. Особый тип резака в устройстве следует компьютерной программе исследователей, чтобы частично прорезать плотную бумагу, контролируя скорость резания и усилие резака.
Вырезы облегчают складывание и склеивание компонентов для получения трубок, которые можно складывать и затем расширять.
Нововведение исследовательской группы заключалось в том, что складки имеют два варианта дизайна. Один сгиб может создать кусок бумаги, который выпирает из трубы, как горный хребет, или, в качестве альтернативы, может создать долину в трубе. Эти варианты позволяют выбирать разные конфигурации, каждая из которых дает немного другое поперечное сечение.
«У каждого из них разное поперечное сечение, разная площадь трубы и разные свойства», – сказал Паулино. «Возможность создавать различные поперечные сечения имеет решающее значение, особенно для мультифизических приложений, таких как развертываемое оригами в сочетании с адаптивными материалами."
Среди потенциальных применений – реконфигурируемые трубки, которые могут передавать электромагнитную энергию и функционировать как антенны. Различные складки позволят им работать на разных частотах, что может иметь потенциальный военный и коммерческий интерес.
«В вашем телефоне есть антенна, предназначенная для работы на определенной частоте», – пояснил Паулино. "Если вам нужно, чтобы телефон работал на другой частоте, прямо сейчас вам понадобится другое устройство.
Благодаря этой реконфигурируемой возможности мы могли бы получить разные конфигурации антенн в одном устройстве с одной и той же трубчатой антенной оригами."
Другие применения могут варьироваться от крошечных микрофлюидных трубок, способных переключать жидкости, до инженерных и архитектурных приложений в воздуховодах, трубопроводах и даже конструкциях, обеспечивающих тень для зданий в жаркие периоды года.
Хотя трубки оригами сделаны из бумаги, они могут быть довольно прочными и выдерживать большие нагрузки, а также их легко складывать, когда они не используются. В практических приложениях трубки могут быть изготовлены из гибких полимеров или других материалов.
Структуры оригами создавались давно, но то, что Паулино его сотрудники привносят в эту область, – это математическое понимание и теория, которые позволяют им применять инженерный подход к разработке новых конфигураций труб.
«У нас есть полная математическая теория, которая позволяет нам увидеть, сколько поперечных сечений допускает каждая трубка», – сказал он. "Теория очень мощная. Теперь у нас есть математика, теория и прототипы для демонстрации идей. Мы можем запрограммировать эти многоугольные трубы для создания практически любой формы."
В будущей работе Паулино и его сотрудники хотели бы создать исполнительный механизм для повторного развертывания трубок, когда это необходимо. Система могла работать с использованием намагниченных структур или с помощью электронных средств.
«Мы работаем над объединением этих реконфигурируемых возможностей с программируемой функцией, которая позволила бы нам активировать складки удаленно», – сказал он. "Мы сможем переключаться между различными конфигурациями по желанию."
В сентябре 2015 года та же исследовательская группа сообщила о разработке новой конфигурации оригами «трубка на молнии», которая делает бумажные конструкции достаточно жесткими, чтобы выдерживать вес, но при этом они могут складываться, что упрощает транспортировку и хранение. Их метод может быть применен к другим тонким материалам, таким как пластик или металл, для преобразования различных конструкций, от мебели и зданий до микроскопических роботов.
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом (NSF) в рамках гранта CMMI-1538830. Авторы несут исключительную ответственность за содержание и не обязательно отражают официальную точку зрения Национального научного фонда.