Inżynierowie wykorzystali origami do stworzenia transformowalnego koła!

Origami jest sztuką składania papieru, która swoimi korzeniami sięga Japonii. Od wieków używa się go do tworzenia pięknych, składanych obrazów i obiektów. W ostatnim czasie zostało jednak odkryte jako potencjalne narzędzie do inżynierii i badań naukowych. Badaczom z Seoul National University, Harvardu oraz Hankook Tire udało się opracować transformowalne koło wykonane przy użyciu kompozytowej membrany origami.

Kompozytowe origami membranowe to technika projektowania wykorzystująca elastyczne membrany oraz sztywne ścianki do budowania adaptacyjnych mechanizmów, ułatwiając proces planowania, produkcji i montażu. Zapewnia ona wszechstronność i wytrzymałość na wstrząsy, co czyni ją przydatną w aplikacjach o dużej nośności, na przykład w kołach pojazdów, a przede wszystkim gwarantuje wielokierunkową zdolność zmiany kształtu.

Opracowane przez inżynierów koło może zmienić swój kształt z dużego, wystającego, na małe, gładkie, dzięki regulacji odległości między płytkami piasty koła. To sprawia, że szerokość i rozmiar kół są różne w zależności od ułożenia. Ich średnica może wynosić od 0,46 m do 0,8 m, a opona może utrzymać nawet 1000 kg ładunku. Konstrukcja wykorzystuje wzór origami bomby wodnej, która pozwala na zachowanie dwóch różnych kształtów koła przy minimalnym nakładzie energii (zapewnia ona prostopadłość w kierunkach transformacji jazdy i nośności). Aby wyprodukować prototyp kół wytrzymujących duże obciążenia, naukowcy przygotowali stopniowy proces projektowania.

Główne części tworzące koło to korpus origami, klocki bieżnika, wewnętrzne szkielety blokujące i płyty piasty. Aby uzyskać dużą wytrzymałość przy zachowaniu niskiej wagi, do ścianek zastosowano aluminium serii 60, a jako membranę użyto tkaniny PET(1500d/1) i N-6(1260d/1) (Rys.1). Proces laminowania (nitowania) obejmuje łączenie dwóch aluminiowych ścianek z elastycznym materiałem. W przypadku części szprych, które muszą wytrzymać główne obciążenia, użyto elementu z wygiętą krawędzią, aby zwiększyć sztywność na zginanie. W celu poprawy wyglądu, aluminiowe ścianki zostały pokryte trójwymiarową wydrukowaną nakładką. Do przymocowania jej użyto taśmy dwustronnej (5316K, Coretec) o dużej elastyczności, by wytrzymać uderzenia.²

Badacze spodziewają się, że z biegiem czasu kompozytowe origami z membraną będzie można wykorzystać w komercyjnych pojazdach pasażerskich, oferując w ten sposób szerszy zakres funkcjonalności niż konwencjonalne konstrukcje kół. Mają one kilka zalet w porównaniu do tych o tradycyjnej budowie, w tym łatwą produkcję, duży stosunek masy do ładowności i możliwość uzyskania szerokiej gamy kształtów, co czyni je szczególnie przydatnymi w konstrukcjach nośnych.⁴

Ze względu na bezpieczeństwo badania na razie były przeprowadzane z niskimi prędkościami i w krótkich odstępach czasu. Testy terenowe pojazdu elektrycznego odbyły się przy prędkości 1 m/s przez 30 minut, dlatego w tym momencie nie są w stanie potwierdzić maksymalnej szybkości, jaką może osiągnąć oraz jego całkowitego czasu użytkowania.⁵

„Misje w nieustrukturyzowanym lub nieprzewidywalnym środowisku, takie jak obsługa robotów w pomieszczeniach, dostawa od drzwi do drzwi lub eksploracja środowisk, do których nie dotarła cywilizacja, takich jak powierzchnie planet, wymagają czegoś więcej niż standardowe koło.” powiedział Dae -Young Lee, jeden z głównych naukowców.⁶