Deze man is de koning van de hogere knutselkunde

Origami blijkt een oerdegelijke wetenschap

Met karton en plakband schept Bas Overvelde bewegende structuren waar moeder natuur niet opgekomen was.

Beeld Jiri Buller

Het filmpje is zo'n 5,5 miljoen keer bekeken op Facebook en heeft vermoedelijk even vaak geleid tot verbazing. We zien een hoofdloze man in witte hemdsmouwen, met een ingewikkeld geometrisch model van grijs karton in handen. Vierkantjes, zeshoeken, op de naden met elkaar verbonden. Elk vlakje een paar centimeter groot.

Dan maken de handen een kleine drukkende beweging en verandert het mysterieuze bolle tegelbouwsel vloeiend in een open structuur van luchtbruggen en knooppunten. Nog een seconde later wordt dat geleidelijk een verzameling hoekige pillendozen, half over elkaar gestapeld. Waarna gaandeweg de bruggen weer verschijnen en tot slot het oorspronkelijke bouwsel.

Beeld Jiri Buller

Het lijkt magie. Maar het is gewone oerdegelijke wetenschap, zegt groepsleider Bas Overvelde van het natuurkunde-instituut Amolf in Amsterdam. Het filmpje hoort bij het artikel dat hij onlangs samen met zijn oud-collega's van de Harvard School of Engineering in het toptijdschrift Nature publiceerde. Daarin de neerslag van zijn promotiewerk in de VS, dat uitmondde in een theoretische gereedschapskist voor de bouwers van een heel nieuwe klasse van materialen. Daarvoor telt niet zozeer van welk spul ze gemaakt zijn, als wel hun structuur met holtes en verbindingen. Metamaterialen worden ze genoemd.

Metamaterialen zijn een opkomend domein, omdat ze eigenschappen blijken te hebben die met chemie alleen niet te bereiken zijn. Ze buigen licht de verkeerde kant op, reageren op druk met een uitzetting, kunnen hard en licht zijn. Er zijn zelfs Harry-Potterachtige onzichtbaarheidsmantels op te baseren.

In zijn werkkamer op het Amolf-laboratorium in de Amsterdamse Watergraafsmeer houdt Bas Overvelde de centrale bouwsteen van de wonderlijke bewegende tegelmodellen op zijn vlakke hand: een afgeplatte octaëder. Een van de in totaal 28 mogelijke driedimensionale veelvlakken die al sinds Archimedes in de wiskunde bekend zijn en in sommige natuurlijke kristallen herkenbaar. De kartonnen vorm in Overveldes handpalm heeft veertien vlakken, waarvan acht zeshoeken zijn en zes vierkanten. Plak twee piramides met hun basis op elkaar en snijd de punten eraf, daar komt het eigenlijk op neer.

Beeld Jiri Buller

Flexibele metamaterialen

Als zulke veelvlakken gewoon met hun zijden op elkaar worden geplakt, ontstaat er een stijve, poreuze constructie, die interessante meta-eigenschappen kan hebben. Maar wel vaststaande eigenschappen. Overvelde bedacht een paar jaar geleden dat flexibele metamaterialen minstens zo interessant kunnen zijn. In Nature staat een verkenning van wat er mogelijk wordt als metamaterialen beweeglijk worden. Verrassend veel.

Om beweeglijkheid te bereiken geeft Overvelde de veelvlakjes onderling letterlijk meer ruimte. In de computer is zoiets eenvoudig te realiseren. Daar kunnen bijvoorbeeld alle zeshoeken van de octaëder naar buiten worden getrokken en met vouwverbindingen gekoppeld aan de zesvlakken van de omliggende octaëders. Op die manier ontstaat verrassend veel beweeglijkheid, zegt Overvelde. Het Nature-artikel is een staalkaart van de mogelijkheden die ontstaan als de klassieke regelmatige veelvlakken flexibel aan elkaar worden gezet. Het interessantst zijn structuren die een paar voorkeurstoestanden kennen, waartussen ze met wat aandringen kunnen omschakelen. Dat kan handig zijn om bijvoorbeeld stellages voor de ruimtevaart slim op te vouwen en uit te vouwen. Maar op microscopische schaal kan het net zo goed materialen stijfheid geven op plekken waar dat nodig is.

Beeld Jiri Buller
Beeld Jiri Buller

Hoe bijzonder dat soort gedrag eigenlijk is, realiseer je je pas echt als je de bewegende structuren in je handen houdt, zegt Overvelde. De Amerikaanse groep bedacht een basisvlakje met een flexibele scharnier van dubbelzijdig plakband, waarmee naar believen structuren te bouwen zijn. Een lasersnijder kan ze met tientallen tegelijk produceren. De rest is een kwestie van geduldig knutselen.

Bij zijn overstap van Harvard naar het Amolf-lab in Amsterdam een jaar geleden pasten de grote demonstratiemodellen helaas niet in zijn bagage. Maar ook de simpele basisbouwsteen van grijs karton die hij wel naar Nederland kon meenemen, zou in een goocheldoos niet misstaan. Kijk, zegt Overvelde, en onder zijn handen klapt die vloeiend van een object met zes uitstekende kubussen naar een plat twaalfzijdig doosje. En weer terug.

Beneden in een van de labs heeft Overvelde inmiddels een 3D-printer aan de praat die zulke demonstratiemodellen ook op veel kleinere schaal kan realiseren. Die gaan als het aan hem ligt een rol spelen in wat hij noemt de zachte robotica, een nieuw vakgebied waarin robots bewegen en voelen met spierachtige metamaterialen in plaats van lompe hydrauliek, sensoren, bossen kabels en elektromotoren. Kijk maar eens op YouTube of Facebook, zegt Overvelde. Bij zijn oude groep in Harvard bijvoorbeeld, waar slierten kubusjes zwemmende bewegingen maken, zwellen en slinken. 'De robots van de toekomst.'

Onderga de origami-natuur van Bas Overvelde in deze video:

Beeld Jiri Buller
Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.