Origami Engineering: Die Kunst des Faltens in der Raumfahrt und Robotik

Origami Engineering hat in den letzten Jahren einen beeindruckenden Aufschwung erlebt. Diese uralte fernöstliche Falttechnik hat nicht nur kunstvolle Kreationen hervorgebracht, sondern auch die Grundlage für zahlreiche technische Innovationen in verschiedenen Branchen gelegt. Von der Raumfahrt über die Bauwirtschaft bis hin zur Medizin und Robotik – die Anwendungen der Origami-Falttechnik sind vielfältig und revolutionär.

Vorteile der Origami Technik in der Raumfahrt und Fahrzeugtechnik

Die Anwendung von Origami Engineering erstreckt sich überall dorthin, wo Strukturen aus räumlichen oder funktionalen Gründen verkleinert und anschließend vergrößert werden müssen. Ein herausragendes Beispiel ist die Raumfahrt, wo Raumsonden, Airbags und andere innovative Technologien Platz sparend gefaltet und entfaltet werden. Der Pionier des Origami Engineering, Robert Lang, revolutionierte bereits vor einem Jahrzehnt die Entwicklung von Airbags durch die Anwendung von Origami-Prinzipien. Durch einen eigens entwickelten Algorithmus für optimale Faltlinien konnten Hersteller Zeit und Geld bei Airbag-Crashtests sparen.

Medizin, Verpackung und mehr: Weitere Anwendungen von Origami Engineering

Origami Engineering findet auch Anwendung in medizinischen Geräten, Implantaten und Verpackungen. Die Falttechnik ermöglicht das Zusammenklappen auf minimale Größe und anschließende Entfalten auf die benötigte Größe. Diese Prinzipien werden ebenfalls in der Verpackungsindustrie genutzt, wie das innovative Verpackungsdesign des Nike Sportballs zeigt. Die Kombination von geodätischem Design und Origami-Elementen ermöglicht nicht nur einen geringen Materialaufwand, sondern auch eine hohe Sichtbarkeit und eine umweltfreundliche CO₂-Bilanz.

Quelle: Origami Designer Kristina Wißling, Falten in unterschiedlichen Farben und verschiedenen Größen für den nächsten Fertigungsschritt.

Zukunftsaussichten und Herausforderungen im Origami Engineering

Die Zukunft des Origami Engineering verspricht weitere innovative Entwicklungen, insbesondere im Bereich gekrümmter Oberflächen, dickem Materialfalten und sogar in der Nanotechnologie. Die Miura-Faltung, eine flexible Origami-Technik, eröffnet neue Möglichkeiten für gekrümmte Flächen und findet potenzielle Anwendungen in Raumfahrt und minimalinvasiver Chirurgie. Forscher:innen haben auch den "Zippered Tube" entwickelt, der das Falten dicker Materialien erleichtert und neue strukturelle Optionen eröffnet. (Wir kommen weiter unten nochmal auf die Anwendung der Techniken zu sprechen.)

Oft geht es auch darum, durch entsprechende Falttechniken für mehr Stabilität zu sorgen. Flächige Materialien, in die Falten eingebracht werden, sind belastbarer und haben zudem schockabsorbierende Eigenschaften. Ebenso wird die Druckfestigkeit und Steifigkeit von Objekten erhöht. Lösungen für stabile Verpackungen, die ohne Einschnitte aus einem Stück produziert werden, können diesbezüglich ein Anwendungsfeld darstellen.

Darüber hinaus können mit Origami Materialkosten und Zeitaufwand eingespart werden. So lassen sich selbst komplexe Bauteile ohne Kleben, Nieten oder Schweißen aus nur einem Stück herstellen, Kosten für Lagerung und Transport durch Volumenersparnisse senken und die Anzahl der benötigten Arbeitsschritte in Produktion und Anwendung verringern.

„Technisches Origami ist einzigartig, effizient und bietet breitere Anwendungsmöglichkeiten als herkömmliche Fertigungsverfahren.“ Kristina Wißling, Geschäftsführerin von „Origami für die Industrie“

Origami in der Verpackung

Das ungewöhnliche Verpackungsdesign des Nike Sportballs brachte Nike sogar den DuPont Diamond Awards Finalist Status ein. Die kreative Kombination von geodätischem Design und Origami Elementen zeichnet sich vor allem durch den geringen Materialaufwand und hohe Sichtbarkeit des Produkts aus. Zusätzlich weist die Verpackung eine günstige CO₂-Bilanz auf. Insgesamt schafft die Verpackung somit eine hohe Anziehungskraft des Produkts und stärkt die Marke. Mehr zur Verpackungstechnik von Richard Fan, Senior Structural Designer, OIA Global:

Miura-Faltung für gekrümmte Flächen

Die Materialforscher:innen der Harvard University in Cambridge haben hoch gesteckte Ziele. Sie wollen mit Origami-Technik jede beliebige Form mit einer passenden Faltung umsetzen, Häuser bauen und Nanostrukturen entwickeln. In einer Studie konnten die Forscher:innen nun nachweisen, dass sich auch gekrümmte Oberflächen mit der sogenannten Miura-Faltung problemlos zusammenfalten lassen.

Der ausschlaggebende Vorteil der Miura-Faltung ist in ihrer ungewöhnlich hohen Flexibilität zu finden. Denn mit dieser Falttechnik lassen sich auch gekrümmte Flächen wieder falten, so etwa eine geschwungene Vase, eine Kugel oder ein hyperbolischer Paraboloid. Die entwickelte Software berechnet z.B. aus der Vase die dafür nötige Lage der Faltkanten und liefert die Daten an eine Fertigungsmaschine. Einsatzmöglichkeiten sind beispielsweise in der Raumfahrt, in der Verpackungsindustrie oder der minimalinvasiven Chirurgie denkbar.

Origami „Zippered Tube“ für dicke Materialien

Eine der größten Herausforderungen des Origami Engineering ist das Falten dicker Materialien. Sie lassen sich meist nur knicken, wenn man sie durchschneidet und mit Scharnieren versieht. Das Falten funktioniert bei dieser Technik dann nur in eine Richtung. Doch mittlerweile haben Forscher:innen den Origami „Zippered Tube“ entwickelt, der dieses Problem löst und neue strukturelle Optionen eröffnet. Die Falttechnik und einige Prototypen werden hier näher erläutert:

DNA Origami in der Biomedizin und Nanotechnologie

Neben diesen Anwendungen hat die Grundprinzipien des Origami sogar in der Nanotechnologie Einzug gehalten, insbesondere im Bereich DNA Origami. Hier wird DNA als Baumaterial für Objekte im Nanometermaßstab zweckentfremdet. Die Anwendungsbereiche reichen von der gezielten Freisetzung medizinischer Wirkstoffe über die Entwicklung von Sensoren bis hin zur Nutzung als Baugerüst für leitende Materialien auf Mikrochips.

Aus den unterschiedlichen Methoden und den schier grenzenlosen Möglichkeiten für Formen und Strukturen aus DNA ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in Medizin, Biochemie, Physik und Materialwissenschaften. In Zukunft sollen die Winzlinge mit nützlichen Funktionen versehen werden:

• DNA-Formen könnten medizinische Wirkstoffe einschließen und diese im Körper bzw. in Zellen gezielt freisetzen (z.B. Wirkstoffe werden in Anwesenheit bestimmter DNA-Sequenzen oder anderer Signalmoleküle freigegeben).

• Bestimmte DNA-Formen könnten in Zukunft dazu genutzt werden, um in einem Organismus Moleküle bis hin zu ganzen Viren einzufangen und unter Verschluss zu halten.

• Aus den mit hoher Genauigkeit herstellbaren Formen lassen sich theoretisch auch Sensoren entwickeln.

• DNA-Formen können als Baugerüste oder Gussformen dienen, mit denen sich anderen Materialien eine gewünschte Gestalt aufprägen lässt. 

• Des Weiteren könnten Origami-Strukturen als Gerüst für leitende Materialien auf Mikrochips oder Halbleitern dienen und diese so noch kleiner machen.

• Ebenso sind Anwendungen als Gerüst für Carbonfasern vorstellbar, die damit mit extremer Genauigkeit in bestimmte Formen gebracht werden könnten.

In Zukunft werden diese künstlichen Nanoroboter bzw. Nanomaschinen vielleicht sogar einen ähnlichen Grad an Effektivität und Komplexität aufweisen wie die natürlichen Nanomaschinen in unseren Zellen. Auf kommende Entwicklungen darf man gespannt sein.  

Fazit: Origami Engineering als Treiber für Innovationen

Origami Engineering ist ein aufstrebendes Feld, dessen Potenzial noch längst nicht ausgeschöpft ist. Die Technik zeigt sich nicht nur einzigartig und effizient, sondern bietet auch breite Anwendungsmöglichkeiten in verschiedensten Branchen. Die kommenden Jahre versprechen eine rasante Entwicklung von Origami Engineering, wobei die Technik weiterhin als Inspirationsquelle für innovative, faltbare Strukturen und Materialien dienen wird. In der Welt des Ingenieurwesens befeuert Origami nicht nur die Kreativität, sondern eröffnet auch neue Horizonte für bahnbrechende Innovationen.

Origami Engineering ist ein relativ neues Feld, dessen innovatives Potenzial immer mehr Hersteller:innen und Ingenieur:innen erkennen. Die Technik lässt sich auf viele andere Anwendungen und Branchen übertragen. Es ist daher in den kommenden Jahren mit einer rasanten Weiterentwicklung des Origami Engineering zu rechnen – im Bereich der Oberflächentechnik, Medizin, Robotik wie auch bei der Gestaltung von innovativen, faltbaren Strukturen und Materialien. So manche Forschungs- und Entwicklungsaufgabe wird deutlich einfacher, wenn man die Techniken des Origami als Analogie für zukunftsweisende Innovationen im eigenen Bereich nutzt.

 „Im Ingenieurwesen geht es nicht nur um Berechnungen, sondern auch um Einfallsreichtum. Und Origami befeuert diesen Einfallsreichtum.“  Stavros Georgakopoulos, Professor im Fachbereich Computer und Elektroingenieurwesen, Florida International University.