Rekayasa yang Terinspirasi dari Origami: Pelipatan Cerdas untuk Inovasi

Artikel ini mengeksplorasi perkembangan terkini dalam bidang interdisipliner teknik yang terinspirasi oleh origami. Bahan dan metode fabrikasi baru yang memungkinkan pelipatan sendiri di berbagai ukuran akan dibahas. Aplikasi seperti suku cadang pesawat ruang angkasa yang ringkas dan dapat digunakan, robot modular yang lembut, dan dapat dilipat perangkat medis juga diperiksa. Kemajuan desain komputasi yang mengoptimalkan gerakan pelipatan yang kompleks melalui simulasi juga dibahas.

Teknik yang Terinspirasi dari Origami: Melipat Logam Menjadi Bentuk yang Mustahil

Origami, seni melipat kertas kuno Jepang, telah menginspirasi para insinyur yang mencari metode baru untuk desain lipat yang ringkas di berbagai disiplin ilmu. Dengan mengambil isyarat dari kompleksitas multifungsi origami yang dicapai dalam jejak minimal, para peneliti mengembangkan sistem bahan yang dapat dirakit sendiri dan teknik desain otomatis. Aplikasi baru muncul setiap hari yang memanfaatkan kemampuan bertransformasi yang melekat pada arsitektur origami. Artikel ini membahas kemajuan terbaru dalam rekayasa yang terinspirasi oleh origami, mulai dari bahan pintar yang memungkinkan pelipatan sendiri di berbagai skala ukuran, hingga alat komputasi yang mengoptimalkan gerakan kompleks melalui simulasi. Pemesinan mutakhir aplikasi seperti komponen pesawat ruang angkasa yang dapat digunakan, robot modular lunak, dan stent medis yang dapat dilipat sendiri juga disorot.

metode fabrikasi yang terinspirasi dari origami:

Paduan memori bentuk telah berguna untuk membuat struktur yang dapat melipat sendiri karena dapat kembali ke bentuk aslinya ketika dipanaskan. Paduan nikel titanium seperti Nitinol sangat bagus untuk hal ini, karena paduan ini dapat berubah bentuk secara reversibel dengan perubahan suhu. Hal ini memungkinkan gerakan melipat yang sangat presisi. Meskipun berguna, menggunakan paduan ini untuk struktur besar bisa menjadi tantangan dan membutuhkan pengoptimalan desain dan sifat materialnya.

Metode fabrikasi lainnya mengambil inspirasi dari teknik yang terinspirasi dari origami, seni melipat kertas dari Jepang. Dengan menempatkan film tipis di bawah tekanan internal, struktur mesoscale (berukuran sedang) yang kompleks dapat merakit dirinya sendiri menjadi gulungan, tabung, poligon, dan bentuk lain yang dapat dikontrol hanya dengan menghilangkan lapisan yang dikorbankan. Proses pelepasan tegangan ini memungkinkan bahan melipat sendiri menjadi geometri yang akan sulit dilakukan dengan menggunakan proses normal. teknik fabrikasi logam. Dengan memahami bagaimana tegangan sisa menyebabkan penggulungan sendiri, para insinyur dapat mendesain struktur mikro yang dapat melipat sendiri tanpa peralatan yang rumit atau aktuasi yang tepat. Hal ini membuka kemungkinan baru untuk perakitan mandiri di berbagai skala panjang.

Teknik Melipat Sendiri

Gaya kapiler dari tetesan air dapat digunakan untuk melipat struktur rekayasa berdasarkan desain rekayasa yang terinspirasi dari origami. Saat tetesan air terbentuk pada bahan, hal ini menyebabkan deformasi yang tepat dan gerakan melipat berdasarkan desain.

Beberapa bahan aktif juga berguna untuk melipat sendiri. Hidrogel dan polimer memori bentuk dapat menghasilkan penyusutan dan peregangan yang tidak merata di dalam substrat datar, membujuknya untuk melipat ke dalam bentuk 3D yang diinginkan. Elastomer kristal cair dapat melakukan hal serupa dengan menggunakan regangan.

Pelipatan yang diaktifkan secara termal memanfaatkan polimer yang mengubah dimensi dengan suhu. Beberapa akan mengembang saat dipanaskan dan menyusut saat didinginkan, memungkinkan pelipatan melalui siklus pemanasan dan pendinginan yang terkontrol. Yang lainnya bekerja secara terbalik dengan membengkak saat dingin dan menyusut saat hangat.

Semua teknik ini memanfaatkan sifat intrinsik bahan seperti finishing permukaanmenyusut/mengembang, atau regangan yang tidak rata untuk melakukan gerakan melipat yang tepat tanpa mesin yang rumit. Dengan memahami bagaimana material yang berbeda berubah bentuk dan berubah bentuk, para insinyur dapat merancang struktur yang dapat merakit diri sendiri melalui pemicu lingkungan yang sederhana seperti air, panas, atau kondisi sekitar.

Struktur yang dapat melipat sendiri yang dikembangkan oleh para peneliti:

Ionov menciptakan hidrogel yang terbuat dari polivinil alkohol dan kitosan yang dapat melipat sendiri menjadi bentuk mikroskopis saat pelarut menguap, dengan pola "engsel pengunci" yang memungkinkan pelipatan film polimer yang sangat tipis, setebal 100nm, menjadi bentuk poligon yang rumit untuk penghantaran obat.

Para peneliti MIT membuat robot rekayasa yang terinspirasi dari origami yang tidak terhubung dengan daya eksternal dengan menggunakan elastomer dielektrik yang responsif secara termal. Pemanasan dua lapisan polimer-konduktif kain-polimer secara global menginduksi gerakan melipat yang tepat.

Feinberg mengembangkan "film tipis berotot" yang memanen energi dari gerakan melipat yang digerakkan oleh panas untuk memberi daya pada perangkat kecil dan robot. Memanaskan tumpukan polimer-polimer berlapis di atas titik transisi kaca menyebabkan kontraksi yang memberikan daya gerak.

Penelitian ini menunjukkan kemampuan untuk merekayasa struktur yang terbentuk sendiri di seluruh skala, dari mikro hingga makro, menggunakan teknik seperti engsel berpola, sistem multilayer, pemicu pelarut, dan aktuasi termal untuk mencapai pelipatan yang terkontrol tanpa memerlukan mekanik eksternal. Karya perintis ini meletakkan dasar bagi robot dan mesin rekayasa yang terinspirasi dari origami.

Para peneliti sedang merancang mekanisme yang sangat ringkas dengan menggunakan inspirasi origami:

Prinsip-prinsip origami memungkinkan keringkasan yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan menciutkan komponen multi-fungsi ke dalam volume yang jauh lebih kecil. Keringkasan ini sangat ideal untuk aplikasi yang terbatas ruang.

Holland dan Straub mengembangkan konsentrator dan retroreflektor surya berbasis origami untuk misi Mars yang menggunakan Pencetakan 3D dan cermin logam. Teknik mereka secara tepat mengintegrasikan optik dengan kemampuan dilipat, memungkinkan penyimpanan yang ringkas selama peluncuran. Spencer mengulas tantangan untuk pelayaran tenaga surya, yang membutuhkan pengemasan yang sangat padat untuk peluncuran. Pelipatan yang ringkas sangat penting.

Hodges mengkarakterisasi engsel komposit yang dapat digunakan untuk membuat optik pesawat ruang angkasa yang dapat dilipat secara independen dan dapat beradaptasi dengan kondisi penyimpanan apa pun, sehingga memaksimalkan kapasitas muatan.

Dengan mengambil isyarat dari kompleksitas multilayer teknik yang terinspirasi dari origami dalam tapak yang kecil, para insinyur dapat merancang sistem optomekanis, susunan surya, antena, dan muatan lain yang hanya menggunakan apa yang diperlukan sekali dalam operasi. Kekompakan yang dioptimalkan ini membuka peluang baru untuk miniaturisasi dan pemanfaatan ruang.

Robot yang terinspirasi dari origami dengan kemampuan unik:

Son mengulas robot origami lembut cetak 4D dengan desain multi-skala hirarkis yang dapat dilipat pada saat digerakkan. Struktur integratif ini mencapai kemampuan multifungsi.

Park menciptakan lengan modular origami yang lembut yang menyebarkan aspek pengaku melalui tekukan yang terkendali, sehingga memungkinkan kekakuan yang bervariasi. Alat ini melakukan tugas menggunakan lembaran elastomer dielektrik yang diberi perlakuan panas ke dalam pola berkerut.

Yan mengintegrasikan prinsip-prinsip origami dengan robot otonom yang mampu merasakan, memproses informasi, dan merespons melalui gerakan melipat yang diprogram. Metode mereka menyederhanakan desain sekaligus memungkinkan perilaku yang kompleks melalui aktuasi. Dengan menggabungkan kemampuan transformasi origami dengan aktuasi bahan pintar, robot lunak ini menunjukkan bagaimana gerakan koreografi yang kompleks dan sifat mekanik dapat muncul dari substrat sederhana yang berkerut. Hirarki modular dan terintegrasi memungkinkan kompetensi tingkat lanjut dalam paket yang kecil dan ringan. Rekayasa yang terinspirasi dari origami ini memberikan jalan untuk membangun sistem otonom yang lincah yang dapat melipat dirinya sendiri ke dalam bentuk yang dibutuhkan.

Masa depan teknik yang terinspirasi oleh origami terlihat menjanjikan:

Seiring dengan kemajuan material cerdas dan metode aktuasi, desain origami akan semakin mengintegrasikan kemajuan ini untuk memaksimalkan kontrol, presisi dan fungsionalitas dalam desain yang ringkas.

Pencetakan 3D dan manufaktur aditif terus meningkatkan resolusi dan opsi material, memungkinkan sistem berbasis origami yang lebih kompleks dengan lipatan yang ditentukan secara rumit dan kapasitas multimaterial. Desain dan simulasi komputasi berbasis data akan membantu mengoptimalkan gerakan melipat, sifat mekanik, integrasi multifungsi, dan arsitektur di berbagai skala. Otomatisasi desain, fabrikasi logam dalam seni dan alur kerja perakitan akan mempercepat penelitian dan komersialisasi teknik yang terinspirasi oleh origami di berbagai industri yang mencari kemampuan transformasi, penyebaran, dan penyimpanan yang ringkas.

Area yang siap untuk mendapatkan manfaat termasuk perangkat miniatur, teknologi biomedisaplikasi luar angkasa, robotika lunak, optik yang dapat digunakan, dan banyak lagi. Prinsip-prinsip Origami dalam mencapai kompleksitas melalui kesederhanaan akan terus mendorong inovasi di seluruh rekayasa yang terinspirasi oleh origami sebagai paradigma yang terinspirasi oleh bioinspirasi yang kuat. Peningkatan multifungsi dan kontrol dalam volume minimal tetap menjadi prospek yang menarik.

Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, artikel ini memberikan pemeriksaan terhadap pendekatan teknik yang terinspirasi dari origami untuk struktur dan mekanisme pelipatan sendiri. Artikel ini mengeksplorasi bagaimana paduan memori bentuk dan bahan yang responsif terhadap rangsangan seperti hidrogel memfasilitasi pelipatan sendiri yang tepat di seluruh skala ukuran, dari mikro hingga makro. Metode fabrikasi yang muncul seperti perakitan yang dikontrol tegangan dan pelipatan yang digerakkan secara termal juga dirangkum. Aplikasi seperti komponen pesawat ruang angkasa yang dapat digunakan, robot lunak modular, dan perangkat medis miniatur menunjukkan potensi origami untuk desain yang ringkas dan terintegrasi. Pemodelan komputasi dan teknik manufaktur digital memajukan pengoptimalan sistem berbasis origami.

Secara keseluruhan, kekuatan transformatif dari prinsip-prinsip origami telah disurvei - mencapai kerumitan melalui kesederhanaan, multifungsi dalam volume yang minimal. Kemajuan yang terus berlanjut dalam materi, fabrikasi logam otomotif menjanjikan untuk memaksimalkan manfaat ini di seluruh disiplin ilmu yang mencari keringkasan, kemampuan transformasi modular, dan pengemasan yang padat. Seiring dengan terus berkembangnya material pintar dan kemajuan alat desain komputasi, pendekatan teknik yang terinspirasi dari origami akan mendorong inovasi lebih lanjut dengan mengambil inspirasi dari penguasaan alam dalam melipat bentuk-bentuk fungsional.

Pertanyaan Umum

Apa sajakah teknik melipat sendiri yang umum dilakukan?

Gaya kapiler dari tetesan, tegangan sisa pada multilayer, dan paduan memori bentuk yang dapat dilipat pada saat pemanasan banyak digunakan. Hidrogel dan elastomer kristal cair juga dapat melipat dengan menghasilkan regangan yang tidak seragam di dalam substrat.

Bagaimana origami memungkinkan desain yang ringkas?

Pola origami memungkinkan komponen dikemas secara padat melalui pelipatan hirarkis. Hal ini terbukti menguntungkan untuk perangkat miniatur dan muatan pesawat ruang angkasa yang mencari pengemasan yang efisien. Desain yang kompleks mengintegrasikan berbagai fungsi dalam volume minimal.

Jenis aplikasi apa yang sedang dieksplorasi?

Origami memengaruhi susunan surya, antena, dan optik yang dapat digunakan. Origami menginspirasi robot lunak modular dan stent medis. Origami juga membantu pencetakan struktur 4D yang berubah bentuk saat ada rangsangan. Penggunaan di masa depan dapat mencakup elektronik yang dapat dilipat, bangunan yang dapat dirakit sendiri, dan banyak lagi.

Bagaimana alat bantu komputasi membantu desain?

Simulasi dan algoritme mengotomatiskan pembuatan pola origami, optimalisasi gerakan melipat, dan analisis struktural. Mereka meningkatkan penyesuaian di seluruh skala sekaligus mengurangi iterasi pembuatan prototipe. Dikombinasikan dengan manufaktur canggih, ini memangkas siklus desain.