El origami, la antigua técnica japonesa de plegado de papel, ha capturado durante siglos el interes de personas de todas las edades y culturas. Sin embargo, lo que muchos consideran solo una forma de arte y entretenimiento es, de hecho, una fuente de inspiración para soluciones de ingeniería innovadoras. En este blog, exploraremos el modelado y la simulación de patrones de origami y cómo están revolucionando la ingeniería y la arquitectura, proporcionando estructuras desplegables que son compactas, versátiles y eficientes.
El arte de doblar papel con propósito
El origami ha sido utilizado para crear una variedad de formas tridimensionales, desde simples aviones de papel hasta complejas esculturas de animales realistas. Pero más allá de la estética, el origami ha demostrado ser una herramienta valiosa para diseñar estructuras que pueden transformarse de un estado compacto a una forma expandida. Esta capacidad de cambiar de forma y tamaño es especialmente valiosa en aplicaciones donde el espacio y el peso son limitaciones críticas, como en la exploración espacial y la arquitectura de emergencia.
Principios mecánicos y patrones fundamentales
La base del diseño de estructuras desplegables inspiradas en el origami radica en comprender los principios mecánicos que gobiernan los patrones de plegado. Los diferentes patrones son fundamentales para el diseño de estas estructuras. Cada uno de estos tiene propiedades geométricas y mecánicas únicas que los hacen adecuados para diferentes aplicaciones.
- Yoshimura: Conocido por su capacidad de compresión cilíndrica.
- Miura: Ideal para la compresión plana, utilizado por ejemplo en paneles solares desplegables.
- Waterbomb: Patrón cónico que permite transiciones suaves de formas planas a tridimensionales.
- Kresling: Utiliza una compresión rotacional-torsional, adecuado para estructuras cilíndricas.
- Resch: Explora la compresión torsional del plano, utilizado en diseños arquitectónicos y robóticos.
Simulación y modelado computacional
La integración de la mecánica computacional en la investigación del origami ha permitido avances significativos en el campo. Utilizando técnicas de simulación y algoritmos de optimización, los ingenieros y diseñadores, principalmente, pueden predecir el comportamiento de estructuras bajo diversas condiciones antes de construir prototipos físicos. Esto no solo acelera el ciclo de desarrollo, sino que también reduce costos.
Diferentes técnicas de simulación se utilizan para analizar la cinemática, las propiedades mecánicas y las características multifísicas de los sistemas de origami. Entre ellas se encuentran:
- Simulación de origami rígido: Analiza los movimientos y transformaciones manteniendo las superficies rígidas.
- Análisis basado en elementos finitos (FEA): Estudia las respuestas mecánicas detalladas de las estructuras bajo diversas cargas y condiciones.
- Optimización topológica bayesiana: Utilizada para diseñar estructuras con propiedades específicas.
- Formulaciones dinámicas no lineales: Permiten la simulación de grandes deformaciones y despliegues complejos.
Aplicaciones
El uso del origami en la ingeniería ha abierto nuevas posibilidades en varias industrias. Aquí algunos ejemplos destacados:
- Aeroespacial: Las estructuras desplegables como paneles solares y antenas se compactan para el lanzamiento y se despliegan en el espacio, optimizando el uso del espacio y reduciendo el peso de la carga útil.
- Arquitectura y construcción: Puentes y refugios temporales pueden desplegarse rápidamente en situaciones de emergencia, proporcionando soluciones rápidas y eficaces.
- Medicina: Stents y dispositivos médicos que se insertan en el cuerpo en forma compacta y luego se expanden para realizar su función.
- Robótica: Estructuras ligeras y articuladas mejoran la maniobrabilidad y funcionalidad de los robots.
La investigación en modelado y simulación de patrones de origami no solo profundiza nuestro entendimiento de este arte, sino que también nos permite desarrollar aplicaciones prácticas que abordan desafíos en ingeniería y diseño. Al unir este arte del plegado de papel con las herramientas modernas de simulación computacional, estamos desplegando un futuro lleno de innovación y posibilidades.
Referencias:
Liu, K., & Paulino, G. H. (2017). Nonlinear mechanics of non-rigid origami: an efficient computational approach. Meloni, M., et al. (2021). Engineering Origami: A Comprehensive Review of Recent Applications, Design Methods, and Tools. Yue, S. (2023). A Review of Origami-Based Deployable Structures in Aerospace Engineering.
Imagen portada: https://www.veritasium.com/videos/2019/10/4/engineering-with-origami