Origami vormt de basis van uw airbag

De wetenschap en de techniek hebben origami ontdekt. Wist u bijvoorbeeld dat de Japanse kunst van het papiervouwen de basis vormt van uw airbag?

Beeld Krista van der Niet

Oké, baas boven baas. Zo veel YouTube-video's als van grappige katten staan er niet op internet van professionals en amateurs die een kraanvogeltje van papier vouwen, eendjes, bootjes, bloemen, draken, kikkers, vliegtuigjes, koeien, kevers, bonsaïbomen of (echt waar) een hele koekoeksklok. Maar met meer dan 21 miljoen filmpjes doet origami, de traditionele Japanse papiervouwkunst, in feite verrassend weinig onder voor de globale kattengekte. Iedereen vouwt, lijkt het.

Maar het kan nog verrassender. Origami is niet alleen een stil genoegen voor honderden miljoenen fans wereldwijd, ook de wetenschap speelt er graag leentjebuur. Alleen al de laatste maanden kwamen er in het wetenschapsnieuws voorbij: slimme opvouwbare antenne's, opvouwbare oplaadbare batterijen, oprekstroomdraad, opvouwrobotjes en zelfvouwende miniatuurdoosjes. Origami en wetenschappen, of in elk geval techniek, lijken elkaar gevonden te hebben.

Verreweg de meeste toepassingen van origami-achtige technieken komen voort uit de behoefte om voorwerpen eerst klein op te vouwen en ze later uit te klappen tot de gewenste vorm en afmetingen.

Origamimeesters hebben als geen ander foefjes en inzichten in huis om van het platte vlak naar ruimtelijke vormen te komen, en omgekeerd. Al dan niet met knippen en snijden, zoals in een aparte tak van de origami, de kirigami, tot een verfijnde aparte kunstvorm is verheven. De producten van kirigami hebben de interessante extra eigenschap dat ze rekbaar zijn en dus flexibel. Dat is bijvoorbeeld handig voor elektronica die in textiel moet worden verwerkt.

Beeld .

FoldPhone

Echt op de markt is hij nog niet, maar dat kan haast niet lang meer duren, zo verleidelijk slim is het ‘papieren’ mobieltje van de Chinese ontwerper Chenyuan Wei. Alle elektronica, de batterij en de antenne zijn geïntegreerd in een vlakke kaart, waarin een vernuftig origami-vouwpatroon is gestanst. Door de zijkanten naar elkaar toe te drukken, plopt een driedimensionaal gekromd toestel tevoorschijn, dat na gebruik weer keurig plat in de vestzak kan. Wegwerp, of met usb-aansluiting om hem op te laden.

Geen eeuwen terug

De gebruikte vouwtechnieken gaan interessant genoeg geen eeuwen terug, zoals de suggestie wel vaak is. De moderne origami is in feite een uitvinding uit de 20ste eeuw, toen de Japanse meester Akira Yoshizawa een nog altijd gebruikt handboek met pakweg 50 duizend nieuwe ontwerpen maakte, en heel belangrijk: een universele notatie ontwikkelde waarmee iedereen die ook kon namaken. Die staat nog steeds op ieder pakje vouwblaadjes voor de kleintjes.

Eind vorige eeuw voegde de Amerikaanse NASA-ingenieur Robert J. Lang daaraan een grote dosis wiskunde en informatica toe. In eerste instantie om een reusachtige lens voor een ruimtetelescoop op te vouwen tot een pakket dat in een raket zou passen. Dat project werd uiteindelijk niks, maar de nieuwe wiskunde waarmee Lang het vouwen beschreef als in elkaar grijpende cirkelpatronen in het vlak, maakte school.

Langs software kan voor haast ieder gegeven voorwerp een vouwinstructie geven, al vergt het vaak uren of dagen zwoegen op een paar vierkante meter pakpapier om het ook echt te realiseren. Langs kunststukjes, van duizendschubbige vissen tot levensechte insecten, zijn wereldberoemd. Sommige hebben rechtstreekse toepassingen, zoals de zogeheten 'waterbom': een eindeloze reeks vouwbewegingen die uiteindelijk leidt tot een structuur van opstaande blokjes op een flexibel vlak met de bijzondere eigenschap dat ze opzwellen als er aan getrokken wordt.

Materiaalkundige Martin van Hecke van het FOM-instituut Amolf is een van de weinige Nederlandse wetenschappers die zich actief op de gereedschapskist hebben gestort die origami de wetenschap lijkt te bieden. Persoonlijk, bekent hij, komt hij met papier niet veel verder dan het even traditionele als afgezaagde kraanvogeltje. Maar in zijn 3D-printers in het lab en computersimulaties speelt het vouwen van vlakken wel degelijk een hoofdrol.

Beeld .

FoldScope

Bioengineer Manu Prakash van de Stanford-universiteit heeft een droom: een papieren microscoop die gebruikt kan worden in ontwikkelingslanden bij het testen op malaria en andere tropische ziekten. Zijn Foldscope past in een platte envelop, vergt nauwelijks instructies, kost 50 dollarcent aan materiaal en haalt tot duizend keer vergroting. Basis is een kartonnen (geplastificeerd) vouwpatroon dat een houder voor een lensje vormt en een tweede houder voor objectglaasjes die met de hand kan worden verschoven. Scherpstellen gebeurt door de uiteinden naar elkaar toe te drukken. Een pilotproject met tienduizend gebruikers is in de maak. Formeel is de Foldscope overigens meer kirigami dan origami, omdat er vooral slim geknipt en gesneden is, het vouwen is de kunst niet.

Te vaak gevouwen vel papier

Voor hem op tafel ligt het werkpaard van zijn huidige onderzoek: de zogeheten miura ori of miura fold, vernoemd naar de Japanse uitvinder en ruimtevaartingenieur Koryo Miura. Het ziet eruit als een te vaak gevouwen vel papier, maar het bijzondere is dat het zich met lichte druk over een diagonaal helemaal invouwt tot een compact pakketje papier. Omgekeerd wordt het weer gemakkelijk een vlak zodra er lichtjes aan twee uiteinden wordt getrokken.

Ingenieur Miura vond de ingenieuze vouwconstructie in 1985 uit om aan elkaar gekoppelde zonnepanelen voor het Japanse ruimtevaartprogramma zo compact mogelijk mee de ruimte in te voeren en daar moeiteloos uit te vouwen. De truc is vooral dat het platte vlak niet keurig haaks wordt opgevouwen, maar onder een kleine extra hoek. Zo ontstaan spanningen in het vlak, die verdwijnen zodra op sommige punten een lage piramide omhoog komt en op andere punten juist een dal ontstaat.

Het pakketje weet zo waar het heen moet, maar reageert bijvoorbeeld ook op het omklappen van een plaatselijke verhoging in een dal. In principe is het allemaal voorspelbaar, maar heel eenvoudig is dat zeker niet. 'Ik merk dat het vaak goed is om je handen te gebruiken. Het komt voor dat je wat zit te pielen met een flexibele 3D-geprinte vlakke structuur en opeens een mogelijkheid ontdekt, een manier van oprollen, een twist die je theoretisch niet snel zou onderkennen of bedenken.'

Beeld .

FoldBot

Op de sectie Robotics van superuniversiteit MIT in Boston zijn origami en kirigami sleutelwoorden aan het worden. Eind vorig jaar presenteerden onderzoekers een vierbenig lopend
robotinsect van 10centimeter groot, dat begint als een platte voorgestresste plaat kunststof, met op de juiste plekken vouwen en snedes en de nodige inwendige elektronica. Gaat de stroom uit een batterij aan, dan smelten sommige verbindingen in de plaat en plopt de robot in zijn vierbenige vorm, waarna motortjes hem vooruit laten waggelen. Nog spectaculairder was een versie op postzegelformaat, die zichzelf tot een veelpotige ster opvouwt als er een magneetje op wordt gelegd. Met vier elektromagneten onder het tafelblad kan het ding als een razende lopen, klimmen, graven, zwemmen en objecten tillen die tweemaal zijn eigen gewicht zijn.

Subtiel samenspel

Het subtiele samenspel van ruggen en kloven, heuvels en dalen van de miura ori is wetenschappelijk gezien een lusthof, zegt Van Heck en hij wijst naar de glooiingen in het papier, dat hij overigens niet zelf heeft gevouwen maar een goede Amerikaanse vriend. Daarmee onthoudt het als het ware de bijzonder opvouwbaarheid, die tegenwoordig bijvoorbeeld ook goede diensten bewijst aan makers van uiterst compacte stadsplattegronden van onder meer Berlijn en Tokio.

Het is dat geheugen voor vorm die materiaalwetenschappers als Van Hecke het meest intrigeert. 'Het betekent dat de geometrie van een materiaal voorkeuren kan hebben voor bepaalde vormen. En omgekeerd kun je proberen te voorspellen welke vormen je in een materiaal als het ware kunt programmeren.' Hij laat op zijn beeldscherm een holle structuur zien, opgebouwd uit gekoppelde driehoeken, die op commando omknikt bij verticale druk, precies waar het gewenst is. Zonder scharnier.

Van Hecke was vorige maand gastheer van een internationale conferentie over zogeheten designer-materials. Dat zijn sponsachtige ruimtelijke materialen, vaak uit de 3D-printer, waarvan de inwendige verbanden bepalen hoe ze zich als geheel gedragen. Sommige zetten uit onder druk, andere krimpen als er aan getrokken wordt. Heel anders dan de natuur het doet, deze zogeheten metamaterialen. En wie weet nog ergens toepasbaar ook. 'Vooralsnog is het allemaal heel exploratief, verkennend. We laten ons drijven door wat we tegenkomen. Maar iedereen voelt dat hier echt wat te halen is', zegt de Amsterdamse onderzoeker enthousiast.

Beeld .

Airbags

We zitten er dagelijks met onze neus bovenop, maar dat origami de basis voor de airbag vormt, beseft waarschijnlijk niemand. Een airbag moet compact worden opgevouwen maar wel snel genoeg opgeblazen kunnen worden om de klap van een botsing te verzachten. De Amerikaanse wiskundige en origamimeester Robert Lang, de man achter extreme origami-ontwerpen als de 3D-koekoeksklok en een telescooplens formaat voetbalveld voor NASA, ontwierp mee aan de optimale manier om de kunststof blaaszak op te vouwen. Lang hielp vooral bij het maken van realistische computermodellen voor opgevouwen airbags. Modelleren is namelijk cruciaal in de airbag-business; eindeloos testen met echt crashende auto’s is veel te duur.

Stents

'Waterbom' heet de ananasachtige origami basisvorm met inklappende groeven en uitstulpende blokjes waarop Britse en Japanse artsen in 2005 een nieuwe opvouwbare hart-stent baseerden, buisjes van metaal of bioplastic die dichtslibbende aderen open moeten houden. Dat werkt prima, maar de vraag is altijd hoe zo'n buisje op zijn plek moet worden gezet. Zhang You en Kaori Kuribayashi vonden een vernuftig patroon van groeven en vouwen, waarmee het buisje inklapt tot de helft van zijn gewone afmetingen, in de ader kan worden geschoven en dan met lichte trekkracht uitgeklapt tot hij past.

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.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden