Origami, die japanische Kunst, Gegenstände oder Tiere aus Papier zu falten, ist nur eine der vielen Arten in Japan, die Ästhetik und Kunst vereinbaren.

Dass man ein Blatt Papier, mag es auch eine Din A4 Seite sein, nicht mehr als siebenmal falten kann, ist bekannt. Der Grund dafür vielleicht weniger: Die Anzahl der Seiten verdoppelt sich mit jedem Mal. Sie steigt also bei jedem Falten exponentiell. Nach sieben Faltvorgängen stapeln sich bereits 128 Schichten. Theoretisch wäre das Papier nach 26 Faltungen dicker als die Höhe des Mount Everest. Das lassen wir mal besser.

Die Verbindung von Origami und Mathematik (Origamics) ist allgemein eher unbekannt. So lassen sich etwa Gleichungen lösen. Wir wollen das hier nicht vertiefen; wen es interessiert, der sei auf die Quelle (2) am Ende des Beitrages oder auf Tante Google verwiesen. Spannende Sache.

Jetzt wird es wieder anschaulicher und lesbarer. Denn die Vorteile des Origamifaltens auf Konstruktionen im Alltag und in der Raumfahrt sah auch die Postdoktorandin im Fachbereich Ingenieurwissenschaften der Universität Oxford Dr. Chenying Liu. Origami ist im Prinzip von der Natur abgeschaut, deren Lösung sich über Jahrmillionen optimiert und bewährt haben. Das nennt sich Bionik.

Chenying Liu forscht daran, wie Origami (japanisches kunstvolles Papierfalten) uns helfen kann, Herausforderungen wie Klimawandel, Solarenergie und Raumfahrt zu bewältigen, und wie Technik, Physik, Mathematik und Robotik mit Origami-Techniken kombiniert werden können, um neue Technologien zu entwickeln.

Dabei setzt sie die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften der Papierstrukturen ein und entwirft Roboter mit „Intelligenz“. Sie ist die Gewinnerin des Josh Awards 2024 „für ihr inspirierendes nachhaltiges Origami in Kunst, Robotik, Konstruktion und Weltraumforschung“.

Bisher wurde Origami mit dicken Paneelen relativ wenig erforscht, aber starre dicke Paneele bringen einzigartige mechanische Eigenschaften mit sich, die ein großes Potenzial für Manipulationsherausforderungen darstellen. 

Die meisten bisherigen Anwendungen setzen Origamimuster für dünne Plattenmaterialien mit einer vernachlässigbaren Dicke ein. Wenn die Dicke des Materials nicht vernachlässigt werden kann, was gemeinhin als Origami für dicke Platten bekannt ist, müssen die Falten neu gestaltet werden. 

Ein Wasserbombenmuster (waterbomb pattern) für ein Blatt mit einer Dicke von Null weist beispielsweise mehrere Freiheitsgrade (DoF) auf, während sein Gegenstück aus einer dicken Platte nur einen Freiheitsgrad (DoF) hat, was die Komplexität der Bewegungssteuerung erheblich reduziert. 

Ein Ansatz besteht darin, die Falten entweder auf der Ober- oder der Unterseite einer Platte mit endlicher Dicke zu platzieren. Dadurch werden die kugelförmigen Verbindungen im Origami ohne Dicke durch räumliche Verbindungen im Origami mit dicker Platte ersetzt, was zu einer Verringerung der Gesamtanzahl der Freiheitsgrade (DOF) führt. 

Die Nachgiebigkeit der Scharniere wird genutzt um die Bewegungsgeschicklichkeit des Greifers zu verbessern. 

Der Greifer kann mit Objekten interagieren, die von nur zwei Motoren angetrieben werden. Objekte wie Kugeln, Quader und Kegel zeigen unterschiedliche Trajektorien (= Verlauf der Raumkurve, entlang der sich ein Körper oder ein Punkt, beispielsweise der Schwerpunkt eines starren Körpers, bewegt).

Wie man in der Raumfahrt Sonnensegel, die sich erst im All entfalten, für den Start von der Erde möglichst platzsparend und sicher verstaut – auch dazu dient das Vorbild Origami.

Ein Tausendfüßler ist ein wurmartiger Gliederfüßer mit einem relativ harten Exoskelett, einem segmentierten Körper und zahlreichen Beinpaaren. Er kann das Verhalten mehrerer Körpersegmente koordinieren, um eine peristaltische Welle zu erzeugen, so dass er sich effizient auch auf unebenen Oberflächen und begrenztem Raum fortbewegen kann. (Man stelle sich einfach vor, wie sich ein Regenwurm bewegt.)

Wenn der Tausendfüßler Gefahr wittert oder gestört wird, rollt er sich zu einer Spiralform zusammen, um sich vor Fressfeinden zu schützen. Das Einrollverhalten des Tausendfüßlers ist auch bei einigen seiner nahen Verwandten aus der Familie der Gliederfüßer zu beobachten, wie bei Pillenwanzen und Hummern. 

Inspiriert von ihrem peristaltischen und rollenden Verhalten ist das Origamikonzept für einen Roboter, der die Bewegung eines Tausendfüßlers nachahmt. 

Der Mechanismus besteht aus einer Kette miteinander verbundener Module, die die Segmente eines Tausendfüßlers imitieren. Jedes Modul besteht aus starren Facetten mit gleichmäßiger und begrenzter Dicke, wodurch die Gesamtzahl der Freiheitsgrade (DoF) auf eine überschaubare Anzahl reduziert wird.

Aufgrund des geometrischen Designs kann die Baugruppe eine beliebige Anzahl von Modulen enthalten, ohne dass die Regelung von mehreren Freiheitsgraden übermäßig groß ist. 

Chenying Liu erweitert ihr Origami-Fachwissen nun auf Anwendungen im Gesundheitswesen. Derzeit entwickelt sie von Origami inspirierte persönliche Schutzausrüstung (Helme und Exoskelette) mit verbessertem Schutz und individuellem Design. 

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Fotos ©FuZ

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