Origami – japonské umění skládání papíru – by se mohlo stát dalším milníkem ve vývoji inovativních materiálů. Jeho jedinečné vlastnosti, které vědci stále zkoumají, mají potenciál najít uplatnění v architektuře, letectví i při výrobě běžecké obuvi.
Japonci se věnují origami již od 16. století. Toto starobylé umění spočívá ve skládání papíru do nádherných tvarů, dnes se o něj však intenzivně zajímají vědci, zejména v rámci výzkumu materiálů.
Origami kombinuje jednoduché techniky skládání k vytváření někdy velmi složitých struktur. Američtí výzkumníci nyní využívají tuto techniku k vývoji příští generace materiálů. Jejich zvláštnost spočívá v tom, že jsou zároveň pevné i předvídatelně deformovatelné – dokážou se „složit“ přesně podle toho, jak na ně působí vnější síly.
„Origami vzbudilo v posledních deseti letech velkou pozornost díky své schopnosti rozkládat nebo transformovat struktury,“ uvádí James McInerney, hlavní autor studie z Michiganské univerzity. „Náš tým se zabýval otázkou, jak lze různé typy skladů využít k řízení způsobu, jakým se materiál deformuje pod vlivem různých sil a tlaků.“
Vítané ohyby
Například kus zprohýbaného kartonu se ohýbá výrazně předvídatelněji než list bez jakýchkoli skladů. Tyto nové materiály by tak mohly otevřít cestu k inovacím v mnoha odvětvích: od dopravy přes medicínu až po textilní průmysl, kde jsou záhyby paradoxně často nežádoucí. Oblasti použití jsou skutečně rozmanité.
„Existuje množství scénářů, od výstavby budov, letadel a válečných lodí až po balení a přepravu zboží. Ve všech těchto případech je třeba pečlivě zvažovat kompromis mezi zvýšením nosnosti a nárůstem celkové hmotnosti,“ vysvětluje James McInerney a upřesňuje: „Naším cílem je vylepšit odolné konstrukce začleněním ohybů inspirovaných origami, a to bez navýšení hmotnosti.“
Vědci ve své studii konkrétně navrhují využití tohoto nového materiálu pro srdeční implantáty, běžeckou obuv či křídla letadel. Podle nich spočívá hlavní výzva v současné době v tom, jak přesně vypočítat, které sklady mají být použity a v jakém okamžiku, aby bylo dosaženo optimálních výsledků. To, co se zdá jednoduché, se však ukazuje jako velmi složité.
„Když zatáhnu za jeden konec listu papíru, je tuhý – neprotrhne se. Zároveň je však pružný: může se krčit a vlnit podle toho, jak s ním manipuluji. Je to radikálně odlišné chování od konvenčních pevných těles, ale přitom nesmírně užitečné,“ vysvětluje profesor Zeb Rocklin, spoluautor studie.
Origami dodává pevným látkám pružnost
Ačkoliv jsou pružná tělesa výjimečně užitečná, je obtížné je modelovat. „U těchto materiálů je často těžké předvídat, jak se pod tlakem zdeformují, protože způsobů deformace může být mnoho. Konvenční fyzikální techniky neumožňují tento typ problémů řešit. Proto i v 21. století stále objevujeme nové způsoby, jak charakterizovat struktury,“ popisuje profesor Rocklin.
Při studiu materiálů inspirovaných origami vycházejí fyzici z plochého listu. Ten je pečlivě složen do přesného trojrozměrného tvaru – právě sklady určují budoucí chování materiálu.
Tato metoda má však svá omezení: doposud byly testovány pouze sklady origami založené na rovnoběžnících. Ty využívají tvary, jako jsou čtverce a obdélníky, které umožňují jen omezený počet typů deformace. „Naším cílem bylo rozšířit tento výzkum na lichoběžníkové plochy,“ uvádí James McInerney.
Rovnoběžníky mají dvě dvojice rovnoběžných stran, zatímco lichoběžníky pouze jednu. Díky tomu jsou sklady potenciálně všestrannější, ale také mnohem složitější na modelování.
Zcela nové možnosti
Na základě svých modelů a fyzikálních testů vědci zjistili, že lichoběžníkové plochy reagují zcela odlišně. Konstrukce se ukázaly být schopné měnit svůj tvar dvěma různými způsoby: „dýcháním“, tedy rovnoměrným rozpínáním a smršťováním, a „střihem“, neboli deformací v rotačním pohybu.
„Zjistili jsme, že v origami můžeme použít lichoběžníkové plochy k tomu, abychom systému zabránili v ohýbání v určitých směrech. To nabízí jinou funkčnost než u ploch tvořených rovnoběžníky,“ dodává James McInerney.
Tým také překvapivě zjistil, že některé vzorce chování origami založených na rovnoběžnících jsou přenositelné i na jejich lichoběžníkové varianty. To by mohlo odhalit vlastnosti společné pro všechny tvary.
„Náš výzkum je sice teoretický, ale tyto objevy by nám mohly nabídnout více možností, jak tyto struktury využívat a plně využít jejich potenciál,“ upřesňuje profesor Rocklin.
Origami se učí od přírody
Než budou nové materiály připraveny k nasazení, zbývá podle vědců ještě mnoho práce. V současné době se výzkum ubírá dvěma směry.
Prvním je přechod od lichoběžníků k obecnějším čtyřúhelníkům a snaha o vytvoření efektivního modelu chování materiálu. Druhý směr zahrnuje vývoj řešení, která umožní integraci těchto návrhů do reálných systémů.
„K tomu musíme pochopit, kde naše modely selhávají – ať už kvůli podmínkám zatížení, nebo výrobnímu procesu. Musíme také zavést efektivní protokoly pro výrobu a testování,“ vysvětluje James McInerney.
„Je to velmi náročný úkol, ale biologie a příroda jsou plné inteligentních pevných látek, včetně našeho vlastního těla, které se dokážou v případě potřeby specifickým a užitečným způsobem deformovat,“ říká profesor Rocklin. „To je přesně to, o co se snažíme s origami.“
Další zaplněná mezera
Navzdory těmto novátorským nápadům přetrvává jeden problém, zejména u silnějších materiálů: nežádoucí mezery. Při skládání silných desek totiž narůstající tloušťka materiálu vyvolává strukturální narušení, která komplikují skládání nebo rozkládání. Navíc to znemožňuje dosažení souvislého, nepřerušeného povrchu.
Právě na tomto problému pracoval Rui Peng z Národní univerzity v Singapuru se svým kolegou, nezávisle na úsilí vynakládaném ve Spojených státech. Jejich inovativní řešení odporuje konvenční technické logice: místo aby prvky přidávali, odstraňují je – konkrétně body skládání.
U struktury složené ze tří desek a dvou ohybů vědci odstranili prostřední desku a prodloužili zbývající dvě na obou stranách. Účinnost tohoto přístupu prokázaly prototypy vytištěné na 3D tiskárně, které se rozvinuly do ploch bez viditelných spojů – a to u nejrůznějších základních geometrických tvarů.
Podle autorů je tento princip použitelný pro velké architektonické celky, jako jsou rozkládací kopule stadionů, vodotěsné střešní systémy a vesmírné teleskopy. V každodenním životě je jeho využití představitelné u modulárních automobilových komponentů, zatímco v nejmenším měřítku by mohl najít uplatnění v mikrochirurgii.
–ete–
