Na een paar decennia van ontwikkeling in een duizelingwekkend tempo - van personal computers en flip-telefoons tot draagbare apparaten, smartphones en tablets - zijn er tekenen dat technologische doorbraken tot stilstand komen. Je nieuwe iPhone is bijvoorbeeld echt niet zo heel anders dan de vorige. En laptops lijken vrijwel allemaal op elkaar - en werken hetzelfde.
Ingenieurs hebben nieuwe inspiratie nodig voor innovaties. Een bron, geloof het of niet, is oude kunst. Mijn werk is bijvoorbeeld geïnspireerd door de kirigami, een minder bekende neef van de vouwkunst van origami. Je hebt misschien zelfs als kind kirigami gedaan, vouwen en snijden om papieren sneeuwvlokken te maken. Door deze kunst geïnspireerde materialen kunnen worden gebruikt om slimme kleding te verbeteren, buigbare smartphones te bouwen en protheses lichter te maken.
Snijden papier
Het woord kirigami is de Engelse naam voor de kunst van het papier snijden. Archeologen zeggen dat kirigami vóór de 17e eeuw kan worden teruggevonden in Japan. Het is nog steeds een populaire volkskunst in Aziatische landen, waar mensen kirigami maken om het nieuwe maanjaar, pasgeboren baby's, huwelijken en andere belangrijke evenementen te vieren.
Kenmerkend begint kirigami met een gevouwen papieren basis, die wordt gesneden, uitgevouwen en afgevlakt om het uiteindelijke kunstwerk te maken. De ingewikkelde patronen creëren prachtige kunstwerken op basis van wiskunde en ontwerpprincipes die het mechanische gedrag van het gesneden materiaal kunnen veranderen. Een bepaald patroon kan het papier bijvoorbeeld sterker of rekbaarder maken.
Dit kinderambacht is een voorbeeld van de oude kunst van kirigami. (IlexSythe) Een technisch idee
Net zoals kirigami-beoefenaars papier knippen en vouwen, kunnen ingenieurs materialen knippen en vouwen die op hun beurt in elektronische apparaten kunnen worden verwerkt.
Recente innovaties in energiezuinige elektronica hebben draagbare elektronische apparaten, hoogwaardig papier met elektronische inkt, kunstmatige elektronische skin en slimme stoffen gecreëerd. Maar veel van deze creaties hangen, althans gedeeltelijk, af van traditioneel gedrukte printplaten, die meestal gemaakt zijn van silicium en metalen. Ze zijn hard en broos - geen goede match voor het menselijk lichaam. Mensen hebben kleding en papier en items nodig die tegen bochten en rondingen kunnen.
De onderzoekgemeenschap, evenals technologie- en kledingbedrijven, willen graag elektronische apparaten zo flexibel en buigzaam mogelijk maken. De kunst is om ervoor te zorgen dat de flexibiliteit van deze gadgets hun vermogen om met elektriciteit om te gaan niet beperkt.
Wat betreft elektronica
Onlangs heeft mijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Buffalo een nieuw, op kirigami geïnspireerd, rekbaar elektronisch apparaat gemaakt. Het apparaat is gemaakt van zelfgeassembleerde polymeren en nanodraden en is een centimeter breed. Op zichzelf kan het enigszins rekken - tot slechts 1, 06 centimeter. Maar wanneer gesneden met lasers in een patroon geïnspireerd op kirigami, kan hetzelfde apparaat tot 20 centimeter uitrekken, 2.000 procent groter dan zijn ongestrekte vorm. De aangeboren elasticiteit van het materiaal helpt, maar het patroon en de oriëntatie van de sneden is de belangrijkste factor in hoe het apparaat vervormt.
Bovendien maakte het snijden het apparaat 3000 keer geleidend voor elektriciteit, wat betekent dat de elektronica sneller kan werken of minder tijd nodig heeft om op te laden.
Het apparaat voordat het wordt uitgerekt (Doug Levere / University at Buffalo) Er zijn veel andere elektronica-onderzoekers geïnspireerd door Kirigami. Terwijl onze groepen en anderen dit soort materialen verfijnen, kunnen ze uiteindelijk worden opgenomen in elektronische skin - verwant aan tijdelijke tatoeages - om het gevoel van protheses en robots te verbeteren. Ziekenhuizen kunnen ook e-skin-pleisters gebruiken om de vitale functies van patiënten draadloos te bewaken, ter vervanging van die vervelende draden die in de knoop kunnen raken of kunnen voorkomen dat mensen slapen terwijl ze in bed rusten.
Rekbare elektronica is ook de sleutel tot de plannen van Samsung om een buigbare smartphone uit te brengen. En ze zouden centraal kunnen staan in slimme kleding, een industrie die analistenproject in 2024 4 miljard dollar waard zou kunnen zijn. Dankzij artistieke innovaties honderden jaren geleden kunnen kleding en verbanden op een dag atleten helpen om prestaties te maximaliseren, de gezondheid van mensen met chronische ziekten, en geven soldaten en hulpverleners belangrijke informatie over zichzelf en degenen onder hun hoede.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Shenqiang Ren, hoogleraar Werktuigbouwkunde, Universiteit van Buffalo, de State University van New York
