Bioinspirierte Origamitechnik - wissenschaft.de
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Bioinspirierte Origamitechnik

Links der Flügel eines Ohrwurms, rechts die künstliche Nachbildung. (Credit: Dr. Jakob Faber, ETH Zürich)

Er ist ein tierischer Meister des Origamis: Der Ohrwurms kann seine Flügel erstaunlich raffiniert ein- und auspacken. Nach dem Vorbild dieses Insekten-Patents haben Forscher nun ein innovatives Konzept für die Entwicklung von technischen Origami-Strukturen entwickelt, das zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten bietet: Objekte könnten sich dadurch extrem platzsparend verstauen und bei Bedarf unkompliziert großflächig aufspannen lassen.

Cleveres Falten ermöglicht es: Origami-Künstler können aus einem Stück Papier erstaunlich komplexe Gebilde entstehen lassen. Das grundlegende Konzept hat auch in der Technik Bedeutung: Von der Robotik bis zur Raumfahrt ist es oft wichtig, Strukturen möglichst effizient ein- und auspacken zu können. Wie so oft haben auch in diesem Fall die technischen Konzepte Pendants in der Natur. Eines der erstaunlichsten Beispiele dafür ist der Flügel des Ohrwurms. Seine Fähigkeiten übertreffen die Leistungen menschlicher Falttechniken bei weitem.

Wie macht’s der Ohrenkneifer?

Manch einer wird erstaunt sein, dass die kleinen Krabbler mit der Zange am Hintern überhaupt Flügel besitzen, denn verpackt sind diese Körperteile kaum an dem schlanken Insekt erkennbar. In diesem Zustand sind die filigranen Gebilde geschützt, wenn der Ohrwurm etwa durch Gestrüpp oder Erdtunnel wuselt. Wenn sich er sich allerdings durch die Luft bewegen möchte, kann er seine Tragflächen fix und elegant ausbreiten. Geöffnet sind seine Flügel mehr als zehnmal größer als im geschlossenen Zustand – ein Weltrekord im Tierreich. Will man menschliche Falttechniken optimieren, ist deshalb dieses Insekt das ideale Vorbild, ist das Forscherteam der ETH Zürich und der Purdue University in West Lafayette überzeugt. Im Rahmen ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler deshalb detailliert den Aufbau und die Funktionsweise der Ohrwurm-Flügel und entwickelten dazu Computersimulationen.

Wie sie zeigen konnten, ist ein zentraler Aspekt des Naturpatents die Elastizität der Falten. Der Clou: Sie können entweder als Zug- oder Drehfedern fungieren. Das Geheimnis hinter dieser Fähigkeit ist eine spezielle Substanz: das fädige Protein Resilin. Eine Falte wirkt als Zug- oder Drehfeder, je nachdem wie dick die Resilin-Strukturen sind und welche Anordnung sie aufweisen. Manchmal können sogar beide Funktionen kombiniert vorliegen, berichten die Forscher. Besonderes Augenmerk legten sie auch auf eine zentrale Funktionseinheit des Ohrwurmflügels – auf das Flügelmittelgelenk, wo sich die Faltlinien in speziellen Winkeln kreuzen. „Diese Stelle arretiert den Flügel im offenen wie im geschlossenen Zustand“, erklärt Co-Autor Jakob Faber von der ETH Zürich.

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Origami-Strukturen nach dem Ohrwurm-Patent

Ihre Erkenntnisse aus den Untersuchungen des natürlichen Vorbildes setzten die Forscher anschließend für das Design künstlicher Strukturen um. Mithilfe eines Multimaterial-Druckers stellten sie Elemente aus harten Kunststoffplatten her, die durch einen elastischen Kunststoff untereinander verbunden sind. Es gelang ihnen, diesen Verbindungsfalten Federfunktionen zu verpassen, sodass diese Zug- oder Drehbewegungen ausführen können, die denen des natürlichen Vorbilds entsprechen. So erreichten sie auch ähnliche Leistungen: In geöffneter Form sind die Elemente stabil. Tippt man sie aber an, faltet sie sich von selbst zusammen.

Wie die Forscher betonen, handelt es sich bei ihren 3D-gedruckten Origami-Elementen vorerst um Prototypen. Doch aus dem System nach dem Ohrwurm-Patent könnten sich interessante Anwendungen entwickeln, sind sie überzeugt. Beispielsweise ließen sich faltbare Elektronikeinheiten herstellen. Aber auch die Technik der Solarsegel von Satelliten oder Raumsonden könnte profitieren. Sie ließen sich möglicherweise mit dem bioinspirierten System noch kompakter transportieren und dennoch effektiv am Einsatzort großflächig aufspannen. Ein weiterer Vorteil der Technik nach Ohrwurm-Art wäre dabei die Energieeinsparung, da für das Ausklappen kein aufwändiges Antriebssystem nötig ist.

Wie die Forscher betonen, erscheinen aber auch eher alltagsbezogene Anwendungen möglich: Auch Landkarten, Packungsbeilagen oder Zelte könnten eines Tages mit Ohrwurm-Technik komfortabler zu handhaben sein. „Faltet man solche Dinge auf, bringt man sie ja oft nicht mehr problemlos in ihre ursprüngliche Faltung zurück. Würden sie sich hingegen jedes Mal von selbst korrekt falten, würde das doch einige Mühe sparen“, so Faber.

Quellen: ETH Zürich, Science doi: 10.1126/science.aap7753

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