ETH-Forscher drucken selbstfaltende Origami-Strukturen

So ist der offene Flügel des Ohrwurms mehr als zehnmal grösser als der geschlossene.Die grosse Tragfläche ermöglicht es dem Insekt zu fliegen. Da der Flügel sehr kompakt eingefaltet wird, kann das Tier aber auch in unterirdischen Tunneln herumwuseln, ohne dass seine Flügel Schaden nehmen.

Spannend ist der Flügel für die Wissenschaftler aber noch aus weiteren Gründen: Im offenen Zustand ist er stabil, ohne dass der Ohrwurm dafür Muskelkraft einsetzen muss. Und nur mit einem Klick faltet sich der Flügel von selbst komplett ein - ebenfalls ohne Einsatz von Muskeln.

Forscher der ETH und der Purdue University in den USA haben den Ohrwurm als Vorbild genommen für eine künstliche Struktur, wie sie im Fachjournal «Science» berichten. Um Aufbau und Funktionsweise des Flügels zu analysieren, nutzte der Erstautor der Studie, Jakob Faber von der ETH, eine Computersimulation des Flügels. Er arbeitete dabei mit Andres Arrieta, Professor an der Purdue University, zusammen, wie die ETH am Freitag mitteilte.

Die Simulation zeigte, dass die Falttechnik des Ohrwurms nicht nach dem klassischen Origami-Prinzip mit starren und geraden Falten mit einer Winkelsumme von 360 Grad in deren Schnittpunkten funktioniert. Denn damit könnte das Insekt seinen Flügel nur auf einen Drittel seiner Grösse zusammenfalten. Die Falten des Ohrwurmflügels sind hingegen elastisch und können entweder als Zug- oder Drehfeder wirken.

Die Falten des Ohrwurmflügels sind mit einem besonderen fädigen Protein ausgestattet, dem sogenannten Resilin. Je nach Anordnung und Dicke der Resilin-Lagen fungiert eine Falte als Zug- oder als Drehfeder. Manchmal erfüllt sie beide Funktionen kombiniert.

Faber und seine Kollegen untersuchten auch das Flügelmittelgelenk des Ohrwurmflügels, das sowohl im offenen als auch im geschlossenen Zustand für Stabilität sorgt. In diesem Gelenk kreuzen sich Faltlinien in Winkeln, die zum klassischen Origami nicht kompatibel sind.

Ihre Erkenntnisse übertrugen die Forscher auf einen Multimaterial-Drucker. Sie stellten in einem Durchgang ein sogenanntes 4D-Element aus vier harten Kunststoffplatten her, miteinander verbunden über einen weichen elastischen Kunststoff. Die Federfunktionen der Verbindungsfalten wurde dem Material dem natürlichen Vorbild entsprechend einprogrammiert.

In seiner geöffneten Form ist das gedruckte Element wie der Insektenflügel stabil. Tippt man es leicht an, faltet es sich von selbst zusammen.

Anschliessend wandten die Forscher das Prinzip auf grössere Elemente an und druckten eine Origami-Greifzange. Diese schliesst sich von selbst, arretiert und kann dann Gegenstände halten, ohne dass sich die Zange öffnet.

Noch sind die hergestellten selbstschliessenden Origami-Elemente Prototypen. Eine denkbare Anwendung wäre faltbare Elektronik. Doch auch die Raumfahrt ist interessiert an Solarsegeln für Satelliten oder Raumsonden, die sich auf kleinstem Raum transportieren und sich am Einsatzort grossflächig aufspannen lassen. Strukturen nach Ohrwurmart würden Platz, Gewicht und Energie sparen, da sie keinen Antrieb und keine zusätzlichen Stabilisatoren benötigen.

Die Forscher können sich aber auch profanere Dinge vorstellen, wie die ETH schreibt: selbstfaltbare Wurfzelte, Landkarten oder Packungsbeilagen zum Beispiel.