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Mithilfe von Kirigami-inspirierten Techniken haben Forscher dünne Materialplatten entworfen, die sich als Reaktion auf Umweltreize automatisch in neue zwei- und dreidimensionale Formen umkonfigurieren.
(Foto: Jie Yin, NC State University/dpa)

Origami - den Begriff kennen viele. Kirigami ist eine Variante dieser japanischen Papierfalttechnik. Materialforscher nutzen dessen Prinzip und entwerfen sich selbst faltende Strukturen.

Mithilfe von Wärme lässt sich ein Spezialpapier zu einer dreidimensionalen Struktur falten. Bei der Entwicklung des Materials haben sich die Wissenschaftler um Jie Yin von der North Carolina State University in Raleigh (North Carolina, USA) von der japanischen Schneide- und Falttechnik Kirigami inspirieren lassen. Sie nutzten die Technik unter anderem, um einen Greifer zu gestalten und einen Softroboter zu entwickeln, der einen Kirigami-Körper und pneumatischen Beine besitzt. Die Forscher stellen ihre Arbeiten im Fachjournal "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) vor.

"Dies ist der erste uns bekannte Fall, in dem sich 2-D-Kirigami-Muster ohne mechanischen Einsatz autonom zu unterschiedlichen 3-D-Strukturen umformen", wird Yin in einer Mitteilung seiner Universität zitiert. Möglich macht dies ein dreilagiger Bogen, dessen äußere Lagen beispielsweise aus Papier bestehen; auf jeden Fall verändern sie sich nicht bei Wärme. Die innere Lage besteht aus einem Kunststoff, der sich oberhalb einer bestimmten Temperatur zusammenzieht.

Mithilfe von Computersimulationen erstellten Yin und Kollegen Schnitt- und Faltmuster, die sie durch Laserschneiden oder Ätzen auf das Spezialpapier übertrugen. An einigen Stellen schnitten sie komplett durch alle drei Lagen, so dass sich dort das Papier bei einem Umfalten öffnen kann. An anderen Stellen schnitten sie nur in die obere oder die untere Lage, damit sich das Papier an dieser Stelle faltet, wenn sich der Kunststoff in der Mitte zusammenzieht. Die Breite der Schnitte bestimmt den Winkel der Faltung.

Spezialpapier mit vier "Fingern"

Die Forscher gestalteten unter anderem ein längliches Stück Spezialpapier mit vier "Fingern". Erhöhten sie die Raumtemperatur, schrumpfte der Kunststoff in der Mitte und die "Finger" krümmten sich, so dass sie einen Greifer bildeten. Ebenso wendeten die Wissenschaftler das Kirigami-Prinzip auf einen Softroboter an, dessen "Beine" mit Druckluft betrieben werden. In der Mitte sind zwei Schlitze kreuzförmig angebracht. Wird nun durch Druckluft der eine Schlitz geöffnet, der bisher geschlossen war, schließt sich der andere Schlitz und der Roboter verändert die Ausrichtung seiner Beine um 90 Grad. Er kann also mit der Faltung auf der Stelle eine Vierteldrehung vollziehen.

"Wir haben für diese Arbeit ein temperaturempfindliches Polymer verwendet, aber es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass andere, auf Reize ansprechende Polymermaterialien - wie fotoaktive Flüssigkristalle - nicht so gut funktionieren", sagt Yin.

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