Opblaasbare structuren, zoals springkastelen en finishbogen voor wielerwedstrijden, hebben een groot nadeel. Als de luchtdruk verdwijnt, stort de boel in. De metersgrote, opblaasbare structuren van een Amerikaanse onderzoeksgroep hebben dat probleem niet, dankzij een techniek geïnspireerd op origami.
In 2016 stortte een opblaasbare boog in tijdens de Tour de France, bovenop een van de wielrenners. De race liep vertraging op door een ongelukje met de luchttoevoer van de boog. Dit zou nooit gebeurd zijn met de opblaasbare boog die Amerikaanse onderzoekers hebben ontworpen. Hun 1,5 meter lange boog doet denken aan de muizentrappetjes die kinderen op de basisschool vouwen van repen papier. Geen wonder. De techniek is namelijk geïnspireerd op origami.
De laatste jaren halen onderzoekers vaker inspiratie uit deze Japanse vouwkunst. Er zijn bijvoorbeeld al verschillende soorten robots mee ontwikkeld en hightech demping voor raketten.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Stabiele origami-structuren
Opgevouwen is de boog een plat, gemakkelijk te vervoeren, stapeltje materiaal. Als je er een luchtpomp op zet, klapt de structuur uit. Dankzij de origami-achtige techniek blijft de boog stabiel staan; ook als je de luchtdruk eraf haalt. Je hoeft zelfs geen luchtdopje dicht te draaien en gaten zijn geen probleem. Eenmaal uitgeklapt is de structuur stabiel.
Dit in tegenstelling tot de huidige opblaasbare structuren, die in elkaar zakken als de luchtdruk wegvalt. Die zijn namelijk ‘monostabiel’. Dat betekent dat ze maar één stabiele toestand kennen: in een leeggelopen hoopje op de grond. De origami-structuren zijn ‘bistabiel’ of ‘multistabiel’ en hebben dus twee of meer stabiele toestanden. De eerste toestand is compact in elkaar gevouwen. Als je de structuur oppompt, vouwt hij zich uit en klikt hij vast in de tweede stabiele toestand.
De Amerikaanse onderzoekers ontwikkelde een verzameling driehoekige structuren (de bouwstenen) die hieraan voldoen. Met hulp van een computerprogramma konden ze de driehoeken combineren tot verschillende, metersgrote vormen.
De structuren die ze demonstreren, bestaan uit stevige vlakken die onderling verbonden zijn met flexibel materiaal (de scharnieren of vouwlijnen). ‘We vertrouwen op de geometrie van deze bouwstenen, niet op de materiaaleigenschappen, wat betekent dat we deze bouwstenen kunnen maken van bijna alle materialen, inclusief goedkope recyclebare materialen’, zegt materiaalwetenschapper Benjamin Gorissen van Harvard University.
Tijdelijke tenten
De onderzoekers bouwden onder meer een tent (met deur) van 2,5 meter lang, 2,6 meter breed en 2,6 meter hoog. Die kon je opvouwen tot een pakketje van 1 meter breed, 2 meter lang en 25 centimeter dik.
Dergelijke tenten zouden tijdelijk onderdak kunnen bieden aan mensen in rampgebieden, schrijven de onderzoekers. Je kunt er gemakkelijk veel opgevouwen transporteren. Ter plaatse heb je één pomp en hooguit twee mensen nodig om alle tenten – een voor een – op te zetten.
De techniek zou ook toegepast kunnen worden op veranderbare geluidspanelen, tijdelijke barrières ter bescherming tegen overstromingen of zelfs uitvouwbare satellietonderdelen.
‘Dit zijn opmerkelijke prestaties’, schrijft de niet-betrokken Sigrid Adriaenssens van Princeton University. ‘Omdat het plaatsen en stabiliseren van origami-structuren op zulke grote schaal een uitdaging is.’
Maar Adriaenssens waarschuwt ook dat de onderzoekers in hun computermodellen nog geen rekening houden met het gebruikte materiaal. ‘Origami-processen die werken voor vellen papier, die in wezen geen dikte hebben, werken mogelijk niet op grotere schaal voor andere, dikkere materialen.’ Iets was wel nodig is als je bijvoorbeeld onderdak wilt bieden dat bestand is tegen harde wind. Dit zullen de onderzoekers moeten aanpakken als ze de metersgrote structuren in de praktijk willen gaan toepassen.