Origami zum Spaß ... Funktionalität!

Als ich 8 Jahre alt war, erinnere ich mich, dass meine Eltern mir ein Buch gegeben haben, in dem erklärt wurde, wie man aus einem Blatt Papier verschiedene Arten von Pflanzen und Tieren herstellt, und ich habe es lange Zeit vergraben. Ich habe es irgendwann aufgenommen und konnte es nicht mehr ablegen. Es hat so viel Spaß gemacht, aus einem flachen Blatt Papier einen Papierkran zu machen. Es war wirklich erstaunlich, dass ich ein flaches Blatt in ein schönes Artefakt verwandeln konnte, indem ich ein Blatt Papier in einer bestimmten Reihenfolge faltete und zerschnitt. Seitdem mache ich noch gelegentlich ein paar Kraniche aus Papier, wenn ich ein quadratisches Blatt Papier finde. Es macht so viel Spaß! Natürlich kann ich es nicht so schön machen, wie es der Papierkünstler Cristian Marianciuc schafft. Diese 2D-zu-3D-Transformationskunstform ist das, was ich auf Koreanisch als Jong-e-jub-gi (종이 종이) kenne, auch international als Origami (折 折 from) bekannt kami bedeutet "Papier"). Origami ist weltweit populär geworden und heutzutage steht außer Frage, dass Origami für eine der lustigen handwerklichen Kunstaktivitäten bekannt ist.

Abbildung 1. Mein Papierkranich (links) und Cristian Marianciuc (rechts), Foto von Cristian Marianciuc via Etsy

Origami nicht nur zum Spaß, sondern auch zur Funktionalität

Auch wenn sich Menschen in der Vergangenheit möglicherweise hauptsächlich zum Spaß auf Origami konzentriert haben, werden Sie feststellen, dass die Natur die Origami-Technik bereits für eine bestimmte Funktionsimplementierung einsetzt, wenn Sie sich Objekte in der Natur genauer ansehen. Vielleicht können Sie feststellen, dass die Natur durch das Hainbuchenblatt ein Beispiel für die Origami-Struktur gegeben hat. Dieses Blatt zeigt ein sehr ausgeprägtes Knickmuster. Diese schöne gemusterte Falte hat meine Neugier geweckt, warum sich die Natur für diesen Weg entschieden hat. Die Forscher folgerten und folgerten, dass der Grund, warum die Hainbuche mit dieser Origami-Struktur ihr Blatt bildet, darin besteht, dass die gefaltete Struktur den Blattkörper besser stützt und den Zeitpunkt der Blattentwicklung optimiert, obwohl sie mehr Energie benötigt, um diese abgewinkelte Struktur zu bilden als die flache Form und beim Wassertransport helfen [1, 2]. Insbesondere berechneten die Autoren "die Auswirkung der Veränderung des" Venenwinkels "und der Blattform auf die Packungseffizienz und die Blattexpansion". Dies impliziert, dass die Pflanze den optimalen Weg gefunden hat, um ihre Blätter mit ihrer begrenzten Energie einzusetzen. Es ist interessant!

Interessanter ist, dass diese Struktur eine einfache Version einer entwickelbaren doppelten Riffelfläche mit dem Namen "Miura-Ori" zeigt. Einen Augenblick! Ich weiß, dass gerade einige ungewohnte Wörter aufgetaucht sind. Keine Bange! Hier sind die freundlichen Erklärungen von ihnen.

Entwickelbare Oberfläche: ist eine Oberfläche, die durch Transformation einer Ebene hergestellt werden kann (d. H. "Falten", "Biegen", "Rollen", "Schneiden" und / oder "Kleben"). Es wird auch mathematisch als glatte Oberfläche mit einer Gaußschen Krümmung von Null definiert. [3]
Miura-Ori: ist eine Methode zum Falten flacher Oberflächen wie z. B. eines Blattes Papier in einen kleineren Bereich. Die Faltenmuster der Miura-Falte bilden eine Tessellation der Oberfläche durch Parallelogramme, die ein negatives Poisson-Verhältnis zeigt. [4]
Poisson-Verhältnis: ist ein Maß für den Poisson-Effekt, bei dem ein Material dazu neigt, sich in Richtungen senkrecht zur Kompressionsrichtung auszudehnen. Wenn ein Material beispielsweise vertikal gedehnt wird, während es horizontal zusammengedrückt wird, weist dieses Material ein positives Poisson-Verhältnis auf. Wenn andererseits ein Material vertikal zusammengezogen wird, während es horizontal zusammengedrückt wird, weist dieses Material ein negatives Poisson-Verhältnis auf. [5]

Koryo Miura erweiterte diese Funktionsidee, als die Hainbuche den optimalen Weg für die Wirkung auf die Verpackungseffizienz und die Blattexpansion fand. Der japanische Weltraumwissenschaftler führte dieses neuartige Miura-Ori-Faltmuster ein, um die Verpackung und den Einsatz großer Membranen im Weltraum zu verbessern. Die Natur könnte bereits begonnen haben, den Menschen zu inspirieren und einen Hinweis zu geben, wie man die Funktionalität der Origami-Struktur nutzt und maximiert. [6]

Elektronik + Origami = abstimmbare Antenne?

Wie Koryo Miura behauptet, schlugen JPL-Forscher vor und begannen mit dem Bau der von Origami inspirierten Solarmodultechnologie für das zukünftige Raumschiffdesign, um die Einsetzbarkeit verschiedener Typen großer Solarmodule zu verbessern. Schaut euch dieses Video an!

Die von ihnen vorgestellten Beispiele zeigen bereits, dass diese Verbesserung der Einsetzbarkeit möglicherweise eine Vielzahl von Beobachtungen kosmischer Phänomene ermöglicht. Was ist, wenn dieses Origami-Engineering mehr als nur die Verbesserung der Bereitstellbarkeit bewirken kann? Kann es vielseitiger sein?

Das Forschungsteam von Georgia Tech, die Zusammenarbeit der Labors von Dr. Manos Tentzeris und Dr. Wie ist das möglich und wie haben sie das gemacht? Diese neuartige Technologie basiert auf der vorhandenen Technologie mit dem Namen Frequency Selective Surface (FSS). Frequenzselektive Oberfläche ist „eine dünne, sich wiederholende Oberfläche (wie der Bildschirm eines Mikrowellenofens), die elektromagnetische Felder basierend auf der Frequenz des Feldes reflektiert, überträgt oder absorbiert“. [7] Anschließend wandte das Forscherteam die Miura-Ori-Struktur auf die FSS an, die sogenannte Miura-FSS-Struktur. Um genau zu sein, verwendeten sie ein Blatt Zellulosepapier, druckten Silberfarbenspuren auf das Papier und fertigten die Miura-Musterstruktur mit einer Perforationsmaschine an, um das Miura-Origami-Muster auf dem Papier zu perforieren und zu schneiden. (Abbildung 2) Wenn Sie diese Miura-FSS-Probe in einem anderen Winkel falten, schwingt diese Antennenprobe mit einem bestimmten Frequenzbereich mit und absorbiert ihn entsprechend dem veränderlichen Faltwinkel. Ist es nicht verrückt? Im weiteren Verlauf untersuchte das Forscherteam auch, wie sich der Frequenzgang ändert, wenn es mehrere Schichten von Miura-FSS gibt. Offensichtlich zeigten die Mehrfachschichten Ergebnisse, die eine Einzelschichtstruktur nicht erreichen kann. [8]

Silberdipole sind über den Falten eines Miuri-Ori-Musters angeordnet, um eine Frequenzblockierung zu ermöglichen. (Bildnachweis: Rob Felt) über Georgia Tech Research Horizons

Wie benutzt man eine solche Technologie? Während ich mit Dong Whi Yoo, einem meiner Kohortenmitglieder bei Georgia Tech, über eine Anwendung dieser Technologie nachdachte, teilte er eine sehr interessante Idee in Bezug auf Raumschiffanwendungen mit. Beispielsweise kommuniziert ein Raumschiff mit Menschen auf der Erde über einen bestimmten elektromagnetischen Frequenzkanal (EM-Kanal), der durch von der Sonne erzeugte EM-Wellen beeinflusst werden kann. Wir diskutierten die Idee, dass, wenn sich das Raumschiff der Sonne nähert, die Origami-Strukturform der Raumschiffantenne als Reaktion auf Wärmeveränderungen automatisch neu konfiguriert werden könnte, ohne elektrische Energie zu verbrauchen, als Reaktion auf die Sonnenwärme und den Frequenzkanal auf einen anderen Frequenzbereichskanal zu ändern, der wird von den EM-Wellen der Sonne nicht beeinflusst. Ist es nicht cool? Auch wenn wir uns nicht sicher waren, ob diese Art von Anwendungen für das reale Raumschiffdesign hilfreich ist, konnten wir uns ein solches futuristisches Szenario leicht vorstellen.

Ist es zu futuristisch? Vielleicht nicht!

Ich verstehe, dass die Technologien, die ich oben erwähnte, sehr konzeptuell klingen und mehr Zeit in Anspruch nehmen könnten, um in der realen Welt eingesetzt zu werden. Sie werden jedoch möglicherweise nicht erkennen, dass die von Origami inspirierte Technologie bereits in unserem täglichen Leben verwendet wurde. Tatsächlich ist es nicht schwierig, eine Technologie zu finden, die die Origami-Technik erforscht, die im wirklichen Leben verwendet wird.

Erstens sollten faltbare Solarpanel-Ladegeräte, die Sie bei Amazon leicht finden können, für Menschen nützlich sein, die für eine Weile nach draußen gehen und für ihre tragbaren Geräte externe Batterien benötigen. Wenn Sie beispielsweise das Ladegerät an einen anderen Ort bringen möchten, können Sie es leicht zusammenklappen und tragen. Wenn Sie es verwenden möchten, können Sie das Ladegerät aufklappen und mit dem Aufladen Ihres Telefons beginnen. Dies ist ein gutes Beispiel dafür, dass eine einfache Origami-Struktur die Portabilität eines Geräts auf einfache Weise verbessern und die Funktionalität aufrechterhalten kann.

Im Zuge der Weiterentwicklung der flexiblen Bildschirmtechnologie gab Samsung Electronics kürzlich den Plan bekannt, Galaxy Fold, ein Smartphone mit faltbarem Bildschirm, herauszubringen. Sie demonstrierten verschiedene Funktionen, die diese faltbare Bildschirmoberfläche bei Samsung Galaxy UNPACKED 2019 erreichen kann. Huawei stellte im Februar 2019 sein faltbares Mate X-Telefon vor. Diese Integration der Touchscreen-Funktionalität und der Origami-Struktur zeigt, dass ein solches Origami-Engineering potenziell zu einer umfassenderen Benutzererfahrung führen kann Bauraum als die heute weit verbreiteten tragbaren Geräte mit einem starren Touchscreen.

Origami ist ein interaktives Medium in der Mensch-Computer-Interaktion

Von lustigen und wunderschönen Artefakten über platzsparende Versandmethoden bis hin zu abstimmbaren Antennen. Was kommt als Nächstes? Kann das Origami-Engineering die Sensorfähigkeit der Sensoren verbessern? Wie kann die kompliziertere Origami-Struktur als eine einfache einfache Faltung effektiv genutzt werden, um das Benutzererlebnis im täglichen Leben zu verbessern? Inwieweit können origami-basierte Formänderungsoberflächen unerwartete Funktionsänderungen aufweisen, mit Menschen interagieren und sprechen und auf natürliche Weise in unser tägliches Leben eintauchen? Ich habe viele Fragen zur Zukunft des Origami-Engineerings und bin gespannt darauf.

Ich bin mir sicher, dass Origami die Fähigkeit besitzt, Menschen für die Kommunikation mit Origami-Objekten zu begeistern. Das ist wahrscheinlich der Grund, warum ich, 8 Jahre alt, das Origami-Buch nicht aus der Hand legen konnte und Leute wie ich sich mit der Herstellung von Papierkränen beschäftigten. Darüber hinaus führt die von einem Hainbuchenblatt inspirierte Technik bereits eine neuartige Funktionalität von Origami ein, und ich glaube, dass es viele unentdeckte Funktionalitäten gibt, die Origami-Technologien möglicherweise aufweisen können. Der Fun + -Funktionalitätsaspekt dieses Origamis impliziert, dass Origami ein großartiges Medium ist, um eine aktive Kommunikation zu motivieren und eine reichhaltige Interaktion zwischen einem Objekt und einem Individuum zu ermöglichen, was ein Schlüsselpunkt der Mensch-Computer-Interaktion ist. Natürlich sage ich nicht, dass Sie bei der Erstellung eines interaktiven Systems an dieser Technik festhalten sollten. Wenn Sie nach einer Möglichkeit suchen, Ihr materielles Objekt interaktiv zu gestalten, ist diese Origami-Technik möglicherweise eine gute Möglichkeit.

Verweise

[1] H. Kobayashi, B. Kresling und J. F. V. Vincent. Reihe B: Biologische Wissenschaften http://doi.org/10.1098/rspb.1998.0276

[2] Sambles, R. (1998). Mehr als transparent. Nature, 391 (6668), 641–642. https://doi.org/10.1038/35509

[3] Wikipedia, The Free Encyclopedia, s.v. "Developable Surface" (abgerufen am 31. Mai 2019), https://en.wikipedia.org/wiki/Developable_surface

[4] Wikipedia, The Free Encyclopedia, s.v. "Miura Fold" (abgerufen am 31. Mai 2019), https://en.wikipedia.org/wiki/Miura_fold

[5] Wikipedia, The Free Encyclopedia, s.v. "Poisson Ratio" (abgerufen am 31. Mai 2019), https://en.wikipedia.org/wiki/Poisson%27s_ratio

[6] Miura, K. (1985), Methode zum Verpacken und Entfalten großer Membranen im Weltraum, Tech. Bericht 618, Institut für Weltraum- und Astronautik, https://repository.exst.jaxa.jp/dspace/handle/a-is/7293

[7] Wikipedia, The Free Encyclopedia, s.v. "Frequency Selective Surface" (Zugriff auf den 31. Mai 2019), https://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_selective_surface

[8] Durchstimmbare, frequenzselektive Mehrschichtoberflächen mit Origami und Tintenstrahldruck Syed Abdullah Nauroze, Larissa S. Novelino, Manos M. Tentzeris und Glaucio H. Paulino. Verfahren der National Academy of Sciences Dec 2018, 115 (52) 13210 –13215; DOI: 10.1073 / pnas.1812486115