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Programmierbare Materie: "Intelligentes" Origami-Blatt faltet sich selbst

Der Selbstbau des Fliegers
Eine Tasse und ein Messer können zwar aus demselben Material bestehen, schreiben der Harvard-Forscher Robert Wood und Kollegen, trotzdem erfüllen beide auf Grund ihrer Form nur eine einzige festgelegte Aufgabe. Bei diesem Missstand auf längere Sicht Abhilfe zu schaffen, ist erklärtes Ziel des Forscherteams. Mit einer "intelligenten" Scheibe, die sich nach einem im Voraus berechneten Plan zusammenfalten kann, machten sie nun den Anfang. Ihr rund vier Quadratzentimeter großer Prototyp kann die Form eines Papierfliegers und eines gefalteten Schiffchens annehmen. Das Prinzip lässt sich jedoch zukünftig so erweitern, dass sich die Scheibe zu praktisch jeder Form zusammenfaltet.

Der Selbstbau des Fliegers | In vier Schritten faltet sich der Papierflieger aus der Ausgangsposition. Im ausgestreckten Blatt auf Bild A ist der Aufbau der Scheibe erkennbar: 32 Dreiecke sind über bewegliche Scharniere verbunden, eingelassene runde Magnete unterstützen den Vorgang, und dünne Leiterbahnen versorgen die Scharniere mit Energie für die Bewegung.
Dazu konstruierten sie aus 32 aneinandergehefteten Dreiecken die Entsprechung eines vorgefalteten Bastelpapiers. Scharniere aus Spezialmaterial an den Falzen können so angesteuert werden, dass sie auf Kommando zum richtigen Zeitpunkt und an den richtigen Stellen die Scheibe knicken. In die Flächen integrierte Magnete halten die Faltungen zusammen und treiben den Prozess zusätzlich an. Die Scharniere stellte das Team aus einem Werkstoff mit "Gedächtnis" her, der unter Temperatureinwirkung eine von zwei Formen einnimmt. Elektrische Leiter dienten dabei als Hitzequellen.

Noch sind nur ausgewählte Ecken und Kanten von außen aktivierbar – genau diejenigen, die es laut Vorab-Computerberechnung braucht, um eine oder mehrere gewünschte Formen anzunehmen. Wünschenswert sei es, in Zukunft alle Scharniere einzeln ansprechbar zu gestalten. Mathematische Überlegungen hatten Anfang der 1990er Jahre ergeben, dass die Oberfläche jedes Polyeders aus einem genügend großen Stück Papier gefaltet werden kann.

Dieses Prinzip machten sich die Forscher um Wood zu Nutze. Ihr Ziel ist es daher, die Größe der Dreiecke weiter zu verringern, um die räumliche Auflösung, mit der die gewünschte Form erreicht werden kann, zu erhöhen. Außerdem muss für praktikable Anwendungen die Anzahl der zusammengehefteten Dreiecke um ein Vielfaches erhöht werden. Dabei könnte allerdings die Rechenzeit aus dem Ruder laufen, die aufgewendet wird, um zu einer gewünschten Zielform einen geeigneten Faltvorgang zu ermitteln.

Die als "Programmierbare Materie" bezeichnete Forschungsrichtung soll schon in naher Zukunft Früchte in Form konkreter Anwendungen tragen. Als Beispiele nennen Wood und Kollegen Messbecher, die sich nach dem Origami-Prinzip so zusammenfalten, dass sie immer die gewünschte Inhaltsmenge enthalten. Denkbar seien auch Regale, die sich ganz nach Wunsch selbst aufbauen; ein System, das durch Formveränderungen Informationen darstellt und eine Art "Schweizer Messer", das die Wissenschaftler für ganz besonders interessant halten. Je nach Bedarf könnte es zum Beispiel die Form einer Antenne, eines Stativs, Schraubenschlüssels oder Bolzens annehmen. Die Königsanwendung dieser Technik wären in den Augen vieler Wissenschaftler allerdings Roboter, die je nach den Umständen und Auftrag eine geeignete Gestalt annehmen und so beispielsweise noch durch kleinste Löcher schlüpfen könnten. (jd)

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  • Quellen
Hawkes, E. et al.: Programmable matter by folding. In: Proceedings of the National Academy of Sciences 10.1073/pnas.0914069107, 2010.

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