Origami materiaalitekniikan yksikössä
Origami, paperin taittamisen taito, on viime vuosina herättänyt paljon kiinnostusta tiedeyhteisössä sen monien mielenkiintoisten ominaisuuksien vuoksi. Tietokoneella tehty laskennallinen origami on auttanut tutkijoita ja insinöörejä ymmärtämään origamin matematiikkaa, fysiikkaa ja sen tarjoamia monia teknisiä mahdollisuuksia. Tällä hetkellä origamimalleja käytetään sellaisten metamateriaalien kehittämiseen, joilla on monenlaisia ominaisuuksia ja siten myös sovelluksia. Orgami-malleja on materiaalitekniikassa käytössä monilla tutkimusaloilla menetelmänä, jolla bioinspiroitua suunnittelua voidaan soveltaa toiminnallisiin sovelluksiin. Tällä hetkellä origamia käytetään pehmeän robotiikan, joustavan elektroniikan, vedenkeruun, biosensoreiden, aurinkokennojen ja tekstiilien tutkimuksessa. Yksikössämme on käytössä pääasiassa Miura-ori-kuvioon perustuvia malleja. Pääsuunnittelijana malleille toimii laboratorioinsinööri Mikael Nyberg, jolla on yli 10 vuoden kokemus origamimallien suunnittelusta ja taittamisesta.
Miura-ori-kuvio on yksinkertaisuudestaan huolimatta hyvin monipuolinen. Yksinkertaisimmillaan se esiintyy luonnossa, esimerkiksi monissa kasvien lehdissä, mutta sen avulla voidaan luoda myös monimutkaisia pintamuotoja ja jopa kolmiulotteisia muotoja. Miura-ori on luonnostaan sekä litteästi taittuva että jäykästi taittuva, mikä on mielenkiintoinen ja toivottava ominaisuus monissa teknisissä sovelluksissa. Miura-ori-kuviolla taitetut materiaalit voivat olla myös venyviä, mikä tekee niistä erittäin käyttökelpoisia terveysteknologiassa, joustavassa elektroniikassa ja pehmeässä robotiikassa. Mallien suhteellinen yksinkertaisuus mahdollistaa monien erilaisten kestävien materiaalien käytön, ja mallit voidaan valmistaa yksinkertaisilla rullalta rullalle -tuotantomenetelmillä.
Tutkimusalat
Pehmeä robotiikka
Miura-ori-pohjaisia metamateriaaleja voidaan käyttää moniin eri tarkoituksiin pehmeässä robotiikassa. Tällä hetkellä professori Vipul Sharman johtama Materials for Flexible Devices -tutkimusryhmä kehtittää propulsiomekanismeja, kuten renkaita ja telaketjuja, joiden avulla pehmeät robotit voivat liikkua. Lisäksi olemme luoneet sisäänvedettävän siipimallin. Jatkossa tarkoituksemme on kehittää ja käyttää uusia kestäviä sekä älykkäitä polymeerejä eri mallien materiaaleina.
Teemme yhteistyötä Freiburgin yliopiston professoreiden Thomas Speckin ja Flak Tauberin sekä heidän tutkimusryhmänsä, Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systemsin, kanssa telaketjujen tulostamisessa ja analysoinnissa.
Taipuisa elektroniikka
Taipuisa elektroniikka on nopeasti kasvava tutkimusala, jolla on valtava potentiaali. Monien origamikuvioiden, kuten Miura-orin, luontainen joustavuus ja venyvyys tekevät niistä erittäin kiinnostavia tällaisiin sovellutuksiin. Materiaalitekniikassa olemme kehittäneet menetelmän, jonka avulla on mahdollista suunnitella monikerroksisia pintoja yhdestä materiaalilevystä. Kyky tuottaa kaarevia pintoja on myös kiinnostava sovelluksissa, kuten keinoihossa ja erilaisissa antureissa.
Tulevaisuudessa tarkoituksemme on tutkia mikro- tai jopa nanomittakaavan origamikuvioiden valmistamista. Ymmärtämällä, miten kuvioiden pienentäminen vaikuttaa materiaalien eri ominaisuuksiin, ja kehittämällä uusia tekniikoita nano-origamien valmistamiseksi voidaan löytää aivan uusia tapoja hyödyntää niitä.
Veden kerääminen
Veden kerääminen sumusta on yksi tapa saada puhdasta juomavettä kuivilla alueilla. Materials for Flexible Devices -tutkimusryhmän johtaja, professori Vipul Sharma on parantanut vedenkeruun tehokkuutta käyttämällä bioinspiroituja nanopinnoitettuja materiaaleja. Tutkimma parhaillaan origamiin perustuvia malleja, jotka lisäävät kerääjän pinta-alaa ja parantavat siten vedenkeruun tehokkuutta. Pitkän aikavälin tavoitteemme on suunnitella erittäin tehokkaiden vedenkerääjien kokonaisuus. Näin voitaisiin luoda sekä kauniita että toimivia ratkaisuja erilaisiin ympäristöihin, kuten kaupunkien puistoihin sekä rakennusten katoille ja seinille.
Bioanturit
Materials in Health Technology -ryhmän tutkijat tutkivat origamikuvioitujen substraattien käyttöä hormoneja havaitsevien biosensoreiden rakentamisessa. Tohtoriopiskelija Bahar Mostafiz tutkii parhaillaan professori Emilia Peltolan ohjauksella antureiden joustavuutta ja pinta-alaa lisäävillä origamikuvioilla taiteltuja telfonlevyjä antureiden substraattina. Mahdollisuus taittaa anturi litteäksi saattaa myös osoittautua hyödylliseksi. Jatkossa tutkimuksen kohteena on entistä monimutkaisemmat origami-mallit antureiden tehokkuuden ja toimivuuden maksimoimiseksi.
Origamitekstiilit
Materiaalitekniikkan yksikkö on yksi Beyond e-Textiles -hankkeen kumppaneista yhdessä viiden pohjoismaisen yliopiston kanssa. Hankkeessa teemme yhteistyötä Boråsin yliopiston professori Delia Dumitrescun kanssa neulottujen origamirakenteiden luomiseksi. Mikael Nyberg suunnitteli useita malleja ja vieraili professori Dumitrescun luona Boråsissa joulukuussa 2024. Tällöin osa näistä malleista neulottiin tekstiileiksi. Lopputulos on kaunis. Käyttämällä erilaisia erikoislankoja, kuten UV-valon tunnistavia, pimeässä hohtavia tai kestomuovisia, voidaan luoda älykkäitä tekstiilejä, jotka eivät tarvitse sähköä.
Kuvagalleria
Pehmeä robotiikka
Muotoa muuttava telaketju roboteille
Kaksipuoleinen rengas roboteille
Taipuisa elektroniikka
Veden kerääminen
Bioanturit
Origamitekstiilit
Taide ja sekalaiset mallit
Laboratorioinsinööri Mikael Nyberg suoritti diplomi-insinöörin tutkinnon tietotekniikasta ja teki opinnäytetyönsä tuotannon optimoinnista.
Origamimatkansa Nyberg aloitti tutkimalla origami-kuvioita taittelemalla käsin erilaisia malleja, jotka hän koki esteettisesti miellyttäviksi. Näistä kokeiluista syntyi sekä toiminnallisia malleja että taiteellisempia teoksia.
Laskennalliset työkalut
Kun origamin ja Miura-ori-kuvion mahdollisuudet materiaalitekniikan sovelluksissa havaittiin, aiheeseen alettiin kaivata tieteellisempää lähestymistapaa. Alkoi tutkimus optimointimallin luomiseksi jota voidaan käyttää työkaluna uusien Miura-ori-kuvioiden luomiseen ennalta määritellyillä ominaisuuksilla. Vaikka mallin kehittäminen on vasta alkuvaiheessa, se on jo osoittautunut toimivaksi, ja sillä on luotu monikerroksisia rakennelmia, jotka ovat lähes jäykkiä ja litteästi taittuvia. Jatkossa tavoitteena on mahdollistaa mallien luominen käyttäen useita erilaisia kriteerejä, kuten pinnan muotoa, kerrospaksuutta, Poissonin suhdelukua, suurinta sallittua taipumaa, osittaista taittuvuutta ja paljon muuta. Tulevaisuudessa on myös tarkoitus luoda automaattisesti syöttötiedostot 3D-tulostusta ja/tai mekaanista esipuristusta varten.
Henkilöt
Laboratorioinsinööri, Materiaalitekniikka
Professori, Materiaalitekniikka, Aurinkoenergiamateriaalit ja -järjestelmät
Apulaisprofessori, Materiaalitekniikka, Taipuisten laitteiden materiaalit
Apulaisprofessori (II vaihe), Materiaalitekniikka, Terveysteknologian materiaalit
Väitöskirjatutkija, Materiaalitekniikka, Terveysteknologian materiaalit