Zonnecellen vouwen met 140 geavanceerde puzzelstukjes

Met een nieuw ‘alfabet’ van 140 vouwpuzzelstukjes kunnen Amsterdamse en Leidse natuurkundigen heel veel nieuwe vouwpatronen samenstellen. Handig voor zonnecellen en robots. „Alles moet precies passen.”

Een voorbeeld van een bij elkaar gepuzzeld vouwpatroon.

Een voorbeeld van een bij elkaar gepuzzeld vouwpatroon.

Foto LION / AMOLF

Origami is meer dan kraanvogels vouwen van blaadjes papier. Het wordt gebruikt voor airbags of om zonnepanelen van ruimtevaartuigen in en uit te vouwen.

Maar hoe zorg je dat een vel papier of plastic vouwt zoals jij wilt? Amsterdamse en Leidse onderzoekers hebben hiervoor een ‘alfabet’ van 140 vouwpuzzelstukjes ontwikkeld, dat ze maandag beschreven in Nature Physics. Daarmee kunnen tal van nieuwe vouwpatronen gepuzzeld worden.

De materialen waarvoor de onderzoekers vouwpatronen ontwikkelen zijn steviger dan de vouwblaadjes uit de hobbywinkel. Dat is nodig voor technologische toepassingen in bijvoorbeeld zonnepanelen en robots. Die bestaan uit stevige vlakken die met soepele verbindingen aan elkaar vast zitten. Die verbindingen zijn de vouwlijnen. Maar het is lastig om zulke patronen te ontwerpen en de begrijpen waarom en wanneer ze vouwen. „Vouwen zijn niet onafhankelijk van elkaar”, vertelt hoogleraar Martin van Hecke van Universiteit Leiden en onderzoeksinstituut AMOLF. „Alles moet tegelijkertijd vouwen en precies in elkaar passen, anders gaat het wringen en levert het niets op.”

Gegarandeerde uitkomst

De onderzoekers keken hoe je vouwlijnen zo aan kunt brengen in een vel dat het gegarandeerd opvouwt tot de gewenste driedimensionale vorm of vormen. „Hiervoor onderzochten we waarom twee bestaande vouwpatronen, goed werken”, zegt Van Hecke. Een daarvan was een variant op Miura-ori, een manier om een vel via een zigzagpatroon tot een kleiner oppervlak te vouwen.

De 140 verschillende vouwelementen die gecombineerd kunnen worden.

Illustratie LION / AMOLF

Eerst keken de onderzoekers naar de kruispunten in deze vouwpatronen waar vier vouwen samenkomen. Die kruispunten gebruiken ze als kleinste onderdelen waaruit een patroon is opgebouwd. Daarna combineerden ze die tot ‘tegeltjes’ met in iedere hoek een kruispunt. Als je alle mogelijke kruispunten combineert krijg je ruim 65.500 verschillende tegeltjes. „De meeste daarvan leveren geen werkende vouwpatronen op”, zegt Van Hecke. „Maar 140 ervan doen dat wel. Dat zijn de letters van ons alfabet waarmee we werkende vouwpatronen maken.”

Die tegeltjes kun je zien als puzzelstukjes die alleen op bepaalde manieren in elkaar passen; niet elk tegeltje past aan een willekeurig ander tegeltje. „We hebben ze uit karton gemaakt om er echt mee te puzzelen”, vertelt Van Hecke. Als je van een aantal van die stukjes een passende puzzel maakt dan heb je altijd een vouwpatroon dat werkt en op te vouwen is tot meerdere driedimensionale vormen.

Uit de puzzel kunnen de onderzoekers afleiden op hoeveel manieren het patroon gevouwen kan worden en welke vormen je dan krijgt. Omgekeerd werkt het ook. Als je een bepaalde vorm wilt, dan vertellen ze je welke puzzelstukjes je moet gebruiken. „Dit werkt zet een grote stap om te begrijpen hoe je een hele klasse interessante vouwbare structuren kunt maken”, mailt de niet betrokken fysicus Christian Santangelo, hoogleraar aan de Amerikaanse Syracuse University.

Alfa en omega vouwen

Dat demonstreerden de onderzoekers door een patroon te ontwerpen dat je in twee verschillende vormen kan vouwen, de Griekse letter alfa of de letter omega. Met een lasersnijder brachten ze het vouwpatroon hiervoor aan in een groot vel plastic. Op die lijnen was het plastic dunner en kon het gevouwen worden. Een vouwwijze levert de letter alfa op, de andere omega. „Om van het vlakke vel naar de gevouwen vorm te komen is veel werk. Dat duurt een paar uur”, zegt Van Hecke. „Het is nu nog lastig om een vouwpatroon in een keer op te laten vouwen door bijvoorbeeld tegen de zijkanten te drukken. Aan een oplossing daarvoor wordt gewerkt.”