Cómo los módulos de origami están redefiniendo la construcción

Yi Zhu, investigador en ingeniería mecánica, tiene un diseño de origami que se puede doblar en algo que cabe en un bolsillo y que puede expandirse hasta convertirse en algo mucho más largo. Crédito: Brenda Ahearn/Universidad de Michigan, Facultad de Ingeniería, Comunicación y Marketing

El origami plegable con paneles gruesos abre un mundo de posibilidades.

Por primera vez, ingenieros de la Universidad de Michigan han demostrado que se pueden construir estructuras portantes, como puentes y refugios, utilizando módulos de origami. Estos componentes versátiles se pueden plegar de forma compacta y transformarse en varias formas.

Es un avance que podría permitir a las comunidades reconstruir instalaciones y sistemas dañados o destruidos durante desastres naturales, o permitir la construcción en lugares que antes se consideraban poco prácticos, incluido el espacio. La tecnología también se puede utilizar para estructuras que deben construirse y luego desmantelarse rápidamente, como salas de conciertos y escenarios de eventos.

Avances en la construcción de origami

«Tanto la adaptabilidad como la capacidad de carga, nuestro sistema puede construir estructuras que pueden usarse en la construcción moderna», dijo Evgueni Filipov, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental e ingeniería mecánica, y autor correspondiente del estudio en. Comunicaciones de la naturaleza.

Los principios de la forma de arte del origami permiten doblar y colapsar materiales más grandes en espacios pequeños. Y con la creciente aceptación de los sistemas de construcción modular, han aumentado las aplicaciones para componentes que se pueden almacenar y transportar con facilidad.

De izquierda a derecha, Yi Zhu, investigador en ingeniería mecánica, y Evgueni Filipov, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental e ingeniería mecánica, trabajando en su laboratorio en el edificio del laboratorio George G. Brown. Filipov y Zhu están aplicando los principios del origami para crear Origami Modular y Uniformemente Grueso (MUTO) para estructuras de carga adaptables a gran escala. Estos se pueden utilizar para crear estructuras temporales, como escenarios o salas de conciertos, así como para construir estructuras como edificios o puentes que se utilizarán como respuesta a desastres naturales. Crédito: Brenda Ahearn/Universidad de Michigan, Facultad de Ingeniería, Comunicación y Marketing

Los investigadores han luchado durante años para crear sistemas de origami con las capacidades de peso necesarias y al mismo tiempo mantener la capacidad de implementarse y reconfigurarse rápidamente. Los ingenieros de la UM han creado un sistema de origami que resuelve ese problema. Ejemplos de lo que el sistema puede crear incluyen:

• Una columna de 3,3 pies de altura que puede soportar 2,1 toneladas de peso, pesa poco más de 16 libras y tiene una superficie de base de menos de un pie cuadrado.
• Un paquete que se puede desplegar a partir de un cubo de 1,6 pies de ancho para desplegarse en diferentes estructuras, que incluyen: un puente peatonal de 13 pies de largo, una parada de autobús de 6,5 pies de largo y una columna de 13 pies de largo.

Un nuevo enfoque para el diseño de origami

La clave del gran avance llegó en forma de un enfoque de diseño diferente proporcionado por Yi Zhu, investigador en ingeniería mecánica y primer autor del estudio.

«Cuando la gente trabaja con conceptos de origami, normalmente empiezan con la idea de modelos de papel fino y doblado, asumiendo que los materiales serán finos como el papel», dijo Zhu. «Sin embargo, para construir estructuras comunes como puentes y paradas de autobús utilizando origami, necesitamos herramientas matemáticas que puedan considerar directamente el espesor durante el diseño inicial de origami».

Evgueni Filipov, profesor asociado de Ingeniería Civil y Ambiental e Ingeniería Mecánica, muestra diferentes pliegues y estructuras con un pequeño modelo en su laboratorio. Crédito: Brenda Ahearn/Universidad de Michigan, Facultad de Ingeniería, Comunicación y Marketing

Para fortalecer la capacidad de carga, muchos investigadores intentaron engrosar sus diseños finos como el papel en diferentes lugares. Sin embargo, el equipo de la UM descubrió que la uniformidad es clave.

«Lo que sucede es que se agrega un nivel de espesor aquí y un nivel diferente de espesor allí, y no coincide», dijo Filipov. “Entonces, cuando estos componentes soportan la carga, comienza a causar distorsión.

“Esa uniformidad del espesor de los componentes es la clave y lo que falta en muchos sistemas de origami actuales. Cuando tiene esto, junto con los dispositivos de bloqueo adecuados, el peso colocado sobre una estructura se puede transferir de manera uniforme.

Además de transportar una gran carga, este sistema, conocido como sistema de estructura modular y uniformemente gruesa inspirado en el origami, puede adaptar sus formas para convertirse en puentes, paredes, pisos, columnas y muchas otras estructuras.

Referencia: “Estructuras adaptativas y de carga, modulares y gruesas, inspiradas en origami, a gran escala” por Yi Zhu y Evgueni T. Filipov, 15 de marzo de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-46667-0

La investigación de la UM fue ayudada por el uso del Origami Multi-Physics Simulator de ejecución secuencial (PATONES). Es un simulador que predice con precisión comportamientos o sistemas de origami a gran escala. Desarrollado en la UM, el sistema está disponible al público desde 2020.

La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Centro de Investigación Automotriz.