Origami, estructuras temporales vs. estructuras inflables

 El mundo de las estructuras temporales tiene un problema de diseño.

Pueden ser compactos, fáciles de montar y desmontar o pueden ser resistentes.  Pero normalmente no pueden ser los tres.  Las estructuras inflables logran dos de tres objetivos: se pueden montar y aplanar rápidamente de nuevo, pero no son muy estables. 

DAVID MELANCON: El problema con las estructuras inflables es que si abres la válvula o si perforas la estructura, no tienes nada que te impida volver a colapsar.  Por eso, estos sistemas se denominaron sistemas monoestables. 

Y el fallo de los sistemas monoestables puede tener consecuencias desastrosas.  Entonces, un equipo de Harvard decidió diseñar un sistema para estructuras que sean compactas, transformables y estables una vez instaladas. Para ello, recurrieron al antiguo arte del origami. 

KATIA BERTOLDI: El origami existe desde hace muchísimo tiempo en Asia. 

Pero el concepto había sido explorado principalmente por artistas, pero recientemente los científicos e ingenieros comenzaron a considerar el origami como una fuente de inspiración para nuevas estructuras, estructuras que se pueden plegar, estructuras que se pueden desplegar.  Y esto me parece fascinante, como si una forma de arte que existe desde hace mucho tiempo pudiera ayudar a ampliar los límites de la ciencia. 

Específicamente, el equipo comenzó con uno de los principales componentes básicos del origami: el triángulo humilde. 

DAVID: Lo poderoso del origami como forma de arte es que sabemos que a partir de una hoja de papel 2D, puedes doblar cualquier forma 3D.  Entonces, si piensas en el triángulo, podemos organizarlo en el espacio con otros triángulos para crear nuestro primer estado compatible.  Ahora, el truco es: ¿podemos reorganizar estos triángulos de otra manera para formar una forma completamente diferente?  Y resulta que si eliges tu triángulo con cuidado, puedes hacerlo, de modo que puedas encontrar diferentes estados en los que todos los triángulos encajen muy bien.  Tenemos estas caras triangulares conectadas sobre bisagras flexibles, por lo que nuestro objetivo es descubrir cómo ensamblar estas caras triangulares para crear este sistema que sea biestable o incluso multiestable.  Entonces, biestable significa que tienes dos estados estables en los cuales, si no aplicas una fuerza, permanecerá allí. 

El equipo aplicó una herramienta matemática basada en un principio geométrico simple:  que ciertos ángulos triangulares permanecen iguales en diferentes posiciones dentro de una esfera.  Encontrar los ángulos en los que los triángulos encajan en diferentes posiciones les permitió crear modelos biestables de formas cada vez más complejas: flores, estallidos de estrellas e incluso arcos.  Luego utilizaron la inflación para transformar los modelos de un estado estable a otro. 

DAVID: Entonces, tenemos este recinto hecho de caras rígidas que se pliega de manera súper, súper compacta.  Lo inflas simplemente, por lo que es una incrustación.  Lo despliegas hasta darle una forma funcional y luego puedes quitar la presión y permanece allí, desplegado. 

Esta capacidad de inflar todos los modelos a la vez fue el gran avance que permitió al equipo escalar su tecnología.  Hasta la fecha, la mayor parte del trabajo sobre estructuras de origami se ha realizado a escala de centímetros, pero el equipo utilizó su diseño para llevar la geometría del origami a nuevos límites.  

DAVID: Realmente queríamos ser mucho más grande que esto, y aquí es donde, realmente, duplicamos el tamaño,  y ahora realmente llegamos a una estructura a muy, muy gran escala, que mide aproximadamente 2 metros de alto,  para confirmar realmente eso.  nuestra biestabilidad solo depende de la geometría.  Es independiente de la escala. 

El prototipo del equipo cuenta con una puerta transformable, mientras que los paneles rígidos ofrecen más protección y mejores barreras contra el sonido y el calor que la tela de tienda estándar. 

DAVID: En estado colapsado, son muy planos.  Entonces, piensa en apilar varios de estos para llevarlos al lugar del desastre y luego solo necesita un operador y una bomba para inflarlos con éxito.  Una vez que uno está inflado, puedes liberar presión y luego pasar al siguiente. 

Los refugios de emergencia en zonas de desastre son una aplicación.  Pero esta tecnología también podría usarse para barreras contra inundaciones, paneles de sonido intercambiables en salas de conciertos e incluso satélites plegables en el espacio.  Y en arquitectura, Katia cree que podría ser un compañero útil para los materiales de construcción tradicionales como el hormigón y los ladrillos. 

KATIA: Queremos, por ejemplo, controlar mejor la energía que ingresa a nuestro sistema, queremos poder controlar mejor la luz, el calor, lo que sea.  Quizás podamos cumplir algunos de los nuevos requisitos que nos gustaría que cumplieran estos edificios. 

Para David, esto es solo el comienzo de un mundo de origami transformable de objetos personalizables y multiestables. 

DAVID: Digamos que quieres tener un conejito que se transforme en un pájaro, y luego puedes inflarlo de uno a otro y entonces es básicamente como Transformers.

Sin embargo, por ahora, el equipo está emocionado de demostrar cómo la aplicación inteligente del arte antiguo y la geometría de la escuela secundaria puede cambiar el mundo. 

DAVID: Al comenzar el proyecto, no estaba muy familiarizado con el origami.  Supongo que, como mucha gente, pensaba en el origami más como una forma de arte.  Me sorprendió mucho ver que en realidad es una plataforma de ingeniería muy poderosa.  Creo que lo que hemos mostrado y lo que hemos realizado con este refugio es una aplicación práctica que está casi lista para ser utilizada en tareas significativas y para resolver problemas muy importantes, creo.  

Desde cubiertas de estadios hasta velas solares, confiamos en la desplegabilidad para el diseño de estructuras a gran escala que pueden comprimir rápidamente a una fracción de su tamaño. Históricamente, se han utilizado dos estrategias principales para diseñar sistemas desplegables. El primer enfoque y más frecuentemente utilizado incluye mecanismos que comprenden elementos de barra interconectados, que pueden expandirse y retractarse sincronizadamente, ocasionalmente bloqueándose a través de elementos de mesa. La segunda estrategia hace uso de membranas inflables que se transforman en formas de destino mediante una sola entrada de presión. Ninguna de las dos estrategias, sin embargo, se puede utilizar fácilmente para proporcionar un dominio cerrado que es capaz de bloquear en su lugar después de su implementación: la integración de una cobertura protectora en construcciones basadas en enlaces es desafiante y los sistemas neumáticos requieren una presión constante aplicada para mantener su forma ampliada. Aquí nos inspiramos en el arte japonés de papel plegable para diseñar estructuras desplegables de pared rígida que son multiestable e inflables. Guiados por análisis y experimentos geométricos, creamos una biblioteca de formas de origami bistable que se pueden desplegar a través de una sola entrada de presión fluídica. A continuación, combinamos estas unidades para construir estructuras funcionales a la escala de metro, como arcos y refugios de emergencia, proporcionando una ruta directa para la construcción de sistemas inflables a gran escala que se bloquean en su lugar después del despliegue y ofrecen un robusto recinto a través de sus caras rígidas.

How origami is inspiring new kinds of emergency shelters del canal Nature Video, disponible en https://youtu.be/Y-6fKoqKEKo?feature=shared