Origami

Jun 05, 2023

Amanda Pedersen | 07. März 2023

Von Origami inspirierte Technologien haben in vielen Branchen zu Durchbrüchen geführt, darunter Batterietechnologie, Raumfahrzeugdesign und ja – sogar Medizintechnik.

Im Laufe der Jahre hat MD+DI über viele von Origami inspirierte Technologien berichtet. Tatsächlich belegten im Jahr 2015 von Origami inspirierte Batterien den ersten Platz in einer Reihe von Umfragen, bei denen MD+DI-Leser gebeten wurden, die neuen Technologien zu identifizieren, die in den kommenden Jahren am wahrscheinlichsten einen tiefgreifenden Einfluss auf die Medizintechnik haben werden.

Anfang des Jahres verwendeten Forscher der Arizona State University (ASU) eine Origami-Variante namens Kirigami als Designvorlage für Batterien, die auf mehr als 150 Prozent ihrer ursprünglichen Größe gedehnt werden können und dennoch die volle Funktionalität beibehalten (siehe Abbildung oben). Ein Artikel, der beschreibt, wie die ASU-Forscher Kirigami-basierte Litium-Ionen-Batterien entwickelten, wurde am 11. Juni 2015 in der Zeitschrift Nature's Scientific Reports veröffentlicht. Die Prototypbatterie auf Kirigami-Basis wurde in ein elastisches Armband eingenäht, das an einer Smartwatch befestigt war. Der Akku versorgte die Uhr und ihre Funktionen – einschließlich der Videowiedergabe – vollständig mit Strom, während das Band gedehnt wurde.

„Die meisten Wearables werden Strom benötigen, und für einige wird es so viel Strom wie möglich sein, verpackt in unhandlichen Formen oder die sich den Bewegungen des Benutzers anpassen müssen“, sagte Bill Evans, jetzt Vizepräsident bei Neptune Medical, gegenüber MD+DI im Jahr 2015. „Ich denke, dass eine Batterie wie das von Kirigami inspirierte Design des ASU-Teams großes Potenzial in diesem aufstrebenden Wearables-Markt hat, da sie sich während des Gebrauchs biegen kann und dennoch die höhere Leistung und die gut verstandenen Eigenschaften der Lithiumchemie bietet.“ bietet an."

Die ASU-Forscher begannen vor zwei Jahren mit der Miura-Origami-Falte, erklärte Hanqing Jiang, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der ASU. Die nach ihrem Erfinder, dem japanischen Astrophysiker Koryo Miura, benannte Methode besteht darin, eine flache Oberfläche in eine kleinere Fläche zu falten.

„Origami und Kirigami gehören zu den schönen Künsten. Sie werden von Ingenieuren erst seit kurzem verwendet“, sagte Jiang.

Miura schien Potenzial zu haben, wenn es darum ging, ansonsten starren Lithium-Ionen-Batterien etwas Elastizität zu verleihen. Doch Jiang und seine Kollegen, die Doktoranden Zeming Song und Xu Wang, stießen bald auf einen Haken: Miura ist dehnbar, aber die Höhe veränderte sich nach mehrmaligem Dehnen deutlich. Die Lösung, auf die Jiang, Song und Wang stießen, war eine Origami-Form namens Kirigami, die sowohl Falten als auch Schneiden beinhaltet. Kirigami ermöglichte das Schneiden und Drehen, um ineinandergreifende Strukturen aus dehnbaren Lithium-Ionen-Batterien zu schaffen.

Origami erwies sich auch für Seokheun Choi, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik an der Binghamton University (Binghamton, NY), als nützlich. Choi entwickelte von Origami inspirierte Papierbiobatterien (siehe Abbildung unten), die möglicherweise Sensoren und andere medizinische Geräte mit geringerem Stromverbrauch in Entwicklungsländern mit Strom versorgen könnten.

Die Batterien enthalten eine luftatmende Kathode, die durch Aufsprühen von Nickel auf eine Seite von gewöhnlichem Büropapier entsteht. Die Anode ist ein mit Kohlenstofffarben siebgedrucktes Anode. Ein Tropfen einer bakterienhaltigen Flüssigkeit kann auf der Papier-Biobatterie Strom erzeugen. Es gab jedoch eine erhebliche Designherausforderung. Choi musste einige dieser Papierbatterien aneinanderreihen, um genügend Mikrowatt zu erzeugen, um nützlich zu sein. Ein Biosensor hat Platzbeschränkungen. Choi, der an der Arizona State University promovierte, kannte die Arbeit der ASU-Forscher und die Arbeit anderer Ingenieure, die Origami verwendet hatten. Es bot Choi eine elegante Lösung.

„Man könnte die Größe durch Falttechniken reduzieren. ... Ich könnte 28 Batterien verbinden, um die Leistungsdichte mithilfe von Origami-Technologien zu erhöhen. Ich denke, diese Technik ist ein großartiges potenzielles Werkzeug für jede Biobatterie oder jede Batterie, die papierbasierte Substrate verwendet. Sie hat eine enorme Wirkung.“ Potenzial", sagte Choi.

Im Jahr 2016 begannen Forscher der Brigham Young University (BYU; Provo, UT), die bereits mit der NASA zusammengearbeitet hatten, um Origami-Prinzipien beim Design von Raumfahrzeugen zu nutzen, verwandte Origami-Techniken zu nutzen, um chirurgische Instrumente herzustellen, die klein genug sind, um in Löcher in der Haut eingeführt zu werden kann ohne Nähte heilen. BYU hat die Technologie an den Pionier der Roboterchirurgie, Intuitive Surgical, lizenziert. Dieses Video (Transkript unten verfügbar) beschreibt einige der Origami-inspirierten Technologien, die BYU an Intuitive lizenziert hat.

Die Industrie für chirurgische Geräte war an einem Punkt angelangt, an dem es unmöglich wurde, chirurgische Werkzeuge mit herkömmlichen Instrumenten kleiner zu machen. Aber die BYU-Ingenieure konnten bei einigen chirurgischen Instrumenten auf Stiftgelenke verzichten und stattdessen ein Origami-inspiriertes Design verwenden. Sie entwickelten beispielsweise robotergesteuerte Pinzetten, die so konzipiert sind, dass sie in ein 3-mm-Loch passen. „Diese kleinen Instrumente werden die Durchführung einer ganz neuen Reihe von Operationen ermöglichen, hoffentlich eines Tages auch die Manipulation so kleiner Dinge wie Nerven“, Spencer Magleby , sagte damals ein Maschinenbauprofessor an der BYU. „Die von Origami inspirierten Ideen helfen uns wirklich dabei, Dinge immer kleiner und einfacher zu machen.“ Die Forscher arbeiteten auch an einem Gerät namens D-Core, das zunächst in einer 2D-Konfiguration vorliegt dehnt sich jedoch zu zwei abgerundeten Flächen aus, die rollen können, um das Zusammenspiel der Bandscheiben zu simulieren. Das Gerät kann aus einem einzigen Material hergestellt werden. Die damaligen Forscher hatten Versionen aus Tyvek, Polycarbonat, Polypropylen und metallischem Glas hergestellt. Die D-Core-Forschung wurde 2015 in Mechanism and Machine Theory veröffentlicht.

Videotranskript

Spencer Magleby, Maschinenbauprofessor an der BYU: Einer der Gründe, warum sich die Medizinbranche für Origami interessiert, besteht darin, kleinere Geräte zu entwickeln, und sie wollten ein neues Konzept – nicht nur ein kleineres Gerät, sondern eine neue Art, über die Geräte nachzudenken .

Robert Lang, Origami-Künstler, Robert J. Lang Origami: Origami ist in der Medizin oft aus den gleichen Gründen nützlich wie im Weltraum. Wenn Sie etwas Flaches und Blattartiges haben, es aber in den Körper einbauen möchten, möchten Sie, dass es durch ein möglichst kleines Loch hineingeht.

Spencer Magleby: Ärzte suchen immer nach einer Möglichkeit, weniger invasiv oder präziser vorzugehen oder vielleicht Operationen durchzuführen, die mehr Präzision erfordern, vielleicht mit Nerven oder etwas sehr Kleinem. BYU hat kürzlich eine Vereinbarung mit Intuitive Surgical zur Lizenzierung von Patenten auf Geräte geschlossen, die in unserem Labor entwickelt wurden. Intuitive Surgical ist ein Unternehmen, das den Da-Vinci-Roboter herstellt, der Operationen roboterhaft durchführt. Hier sehen wir eines ihrer aktuellen Geräte, mit denen man Dinge greift oder eine Nadel zum Nähen hält. Die ursprüngliche Inspiration für das Greifgerät, an dem wir gearbeitet haben, war ein Origami-Muster, das im Volksmund Chomper genannt wird. Hier ist ein großformatiger Prototyp, der auf einigen Origami-Ideen zur Reduzierung der Teileanzahl basierte.

Unbekannter Sprecher: Sie sehen also, dass wir hier nur diesen 3D-gedruckten Kunststoff haben, und hier sind wir tatsächlich auf 3D-gedruckten und rostfreien Stahl umgestiegen und konnten die Teile in diesem 4-Millimeter-Maßstab herstellen.

Spencer Magleby: Der 3D-Druck ermöglicht es uns, sehr schnell mit der Form oder dem Prototyp zu experimentieren. Ich kann eine Idee in weniger als einem Tag vom Computer zum 3D-Drucker und in unser Labor bringen, um sie mir anzuschauen. Wir haben etwa ein Drittel oder ein Viertel der Teileanzahl eines aktuellen Geräts, also viel weniger Teile und die Teile, die wir haben, die Komplexität der Teile ist geringer. Unsere große Idee ist, dass wir Dinge immer kleiner machen können, indem wir uns von Dingen wie Origami inspirieren lassen, die sehr einfach sind. Anstatt also zu versuchen, die Komplexität immer weiter zu verringern, setzen wir frühzeitig auf Einfachheit. Mit diesen neuen Geräten, die wir entwickelt haben, um Roboteroperationen in kleinerem Maßstab zu ermöglichen, die weniger invasiv sind, haben wir wirklich das Gefühl, dass wir einen großen Unterschied machen werden.

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