este humano

Dec 23, 2023

Max G. Levy

Un brillante día de abril en el césped de la Universidad de Harvard, David Melancon salió de una tienda de campaña de plástico blanco llevando una mesa. Luego otro. Luego hizo algunos viajes para producir 14 sillas. Luego una bicicleta, seguida de una bomba amarilla para bicicletas. Finalmente, sacó un gran Shop-Vac naranja. Melancon, candidato a doctorado en matemáticas aplicadas, cerró la improvisada puerta de la tienda detrás de él. Esto fue lo que su equipo denominó su demostración del “coche payaso”, prueba de que una gran cantidad de objetos podían caber dentro de una tienda de campaña que, apenas unos momentos antes, había sido una pila plana de plástico del tamaño de un colchón doble, que luego se inflaba. en un refugio inspirado en el origami.

Los científicos reflexionan sobre el origami. La antigua práctica de doblar papel plano para convertirlo en arte provoca una picazón fundamental de hacer algo a partir de casi nada. Para los constructores inventivos de hoy, el origami se trata menos de cisnes de papel y más de colocar estructuras útiles en espacios diminutos. Y según la jerarquía de necesidades de la Pirámide de Maslow, pocas cosas son más útiles que un refugio. (Probablemente no deberías comer ni beber la creación de origami de un ingeniero).

"Hay una serie de situaciones (situaciones de emergencia, por ejemplo) en las que se necesita una estructura", dice Katia Bertoldi, asesora de Melancon y profesora de mecánica aplicada en Harvard. Por ejemplo, las personas desplazadas por desastres naturales necesitan refugio inmediato. “Puedo construir un cobertizo y ya está. Pero luego, si tengo que moverme, lo desarmo o muevo este enorme volumen. Es muy poco práctico”, continúa. Reducir ese volumen con estructuras de origami “desplegables”, que se despliegan desde volúmenes pequeños y móviles hasta otros más grandes y útiles, resuelve ese problema.

¿Cómo implementarías fácilmente un refugio de emergencia? Imagínese inflar un globo plegado para desplegar una forma 3D oculta. Es un truco elegante, pero un globo no mantiene su forma cuando se le quita la presión del aire. Un origami independiente debe ser biestable. La palabra se usa a menudo en electrónica e informática para describir un circuito con dos estados estables, pero en diseño mecánico, básicamente significa que la estructura tiene que ser resistente tanto cuando está desmontada como cuando está expandida. Tendría que mantener su forma mientras está plegado y permanecer así mientras está desplegado sin sellar el aire. El origami inflable y el origami biestable existen, dice Bertoldi, "pero nunca se han combinado en un solo concepto".

Durante los últimos tres años, el equipo de Bertoldi ha deconstruido los obstáculos básicos de geometría, física e ingeniería estructural para hacer realidad ese concepto. Y el miércoles pasado en la revista Nature presentaron una colección inédita de origami inflables biestables. Dobladas con cartón o láminas de plástico corrugado, las piezas encajan en su lugar con la presión de una bomba de aire y se mantienen firmes sin ella. Algunos de los ejemplos son del tamaño de una baratija y parecen estallidos de estrellas o galletas de la fortuna triangulares. Otros son mucho más grandes, como arcos de tamaño humano. Destaca uno: un refugio de 8 pies de altura con piso octogonal de 8 pies de ancho y una puerta, desplegado a partir de un solo material.

Inflando un pequeño prototipo de estructura de origami biestable.

Los expertos dicen que este paso de la teoría a la estructura es una idea prometedora para alojar a personas en sitios de desastres naturales. "Es un trabajo apasionante", dice Joseph Choma, profesor asociado de arquitectura y fundador del Design Topology Lab de la Universidad de Clemson. Choma, un experto en estructuras y materiales plegables que no participó en el proyecto de Bertoldi, dice que el mundo necesita una arquitectura de socorro en casos de desastre más inteligente, "especialmente aquellas que puedan empaquetarse, desplegarse y luego empaquetarse nuevamente".

“Muchas veces”, continúa, “estas cosas se construyen, pero luego se dejan atrás o se destruyen”.

“Es un gran puente entre la mecánica del origami (su geometría) y llegar hasta una estructura a gran escala. Esto es bastante raro”, afirma Ann Sychterz, profesora asistente de ingeniería civil en la Universidad de Illinois-Urbana Champaign, que no participó en el estudio. Sychterz se especializa en diseños de refugios desplegables. "Para llevar este trabajo a la vida real, estos son los tipos de pasos necesarios", afirma.

Gregorio Barbero

adrien so

Matt Simón

Julian Chokkattu

Bertoldi señala que ya contamos con un refugio desplegable muy conocido: las tiendas de campaña. Las tiendas de campaña ligeras y apretadas hacen que sea más fácil viajar con mochila por la naturaleza. Pero montar uno en un espacio cerrado lleva tiempo. Tienes que unir barras de metal, pasarlas por agujeros estrechos en la tela y fijarlo todo en su lugar. La instalación masiva de estructuras basadas en barras requiere aún más tiempo y mano de obra. Un refugio de emergencia ideal se instala rápidamente cuando es necesario y se desmonta rápidamente cuando se necesita en otro lugar.

Por sí solos, los desplegables de origami sufren un problema similar. Pasar de 2D a 3D requiere cuidar cada pliegue. "La parte complicada del origami anterior es que normalmente es necesario accionar cada bisagra, por lo que el accionamiento se vuelve realmente engorroso", dice Bertoldi.

El equipo utilizó láminas de plástico o cartón para las caras del refugio, pero la magia del origami ocurre en las bisagras. Las caras no se doblan, así que algo tiene que ceder. Las bisagras eran cintas de dos caras que conectaban cartón cortado con láser o líneas marcadas mecánicamente en láminas de plástico. Eso permite que la estructura se doble sobre sí misma provocando inflación y deflación. Y para hacer que todas las bisagras encajen automáticamente en su lugar, su equipo decidió que tal vez podrían simplemente inflar los pliegues todos a la vez usando presión de aire.

Pero soplar aire dentro de un objeto inflable es más como comprimir un resorte que ensamblar un edificio. No es biestable. "Lo comprimes y se deforma", dice Bertoldi. "Pero tan pronto como retiras la carga, regresa". En otras palabras, puedes usar la fuerza de la presión del aire para deformar un paquete de cartón doblado y convertirlo en una tienda de campaña inflable, pero luego tienes que asegurarte de que el aire permanezca dentro, lo que, por supuesto, descarta tener una puerta.

La estabilidad consiste en minimizar el exceso de energía: una pelota estacionada en un valle es más estable que una a mitad de una colina empinada. La biestabilidad significa diseñar una estructura de modo que su barrera de energía, o la cantidad de energía necesaria para bloquearla en sus estados inflados o desinflados, sea la correcta. La barrera no puede ser demasiado alta, de lo contrario será imposible inflarla. Pero la barrera tampoco puede ser demasiado baja, porque entonces una ráfaga de viento podría derribarla: "Va a voltearse hacia atrás y se desinflará", dice Bertoldi.

"Es necesario diseñar cuidadosamente su barrera energética", continúa. "Y eso es la mayor parte del juego de ingeniería".

El equipo de Bertoldi diseñó sus estructuras utilizando caras triangulares; La barrera de energía para cada estructura dependía de cómo formaban esos triángulos, la geometría de cómo se conectaban y sus materiales de construcción. Primero hicieron cálculos, luego prototipos físicos del tamaño de una mano con forma de arcos y estallidos de estrellas, jugueteando con diferentes materiales de construcción y buscando ese punto óptimo de barrera energética. "Nos llevó tres años llegar al fondo del asunto y descubrir el análisis geométrico y la parte experimental: cómo construirlo", dice Bertoldi. Cada decisión, desde los ángulos de pliegue hasta el material frontal y la construcción de las bisagras, agregaba una variable que requería prueba y error. “Hubo muchos fracasos. Muchos y muchos."

Inflado de un prototipo de tamaño mediano del refugio de emergencia de origami (acelerado).

Finalmente, algo hizo clic. Literalmente. Al tirar de las estructuras plegadas para expandirlas, recuerda Bertoldi, “en cierto momento se escucha un clic”. Ella compara esa sensación con la que se siente con esas pulseras de presión de los años 90: "Es algo que realmente puedes sentir con las manos".

Años de trabajo duro en los detalles de diseño y fabricación se aceleraron cuando el equipo construyó un arco a mayor escala. Plegado, su arco más grande mide sólo 20 centímetros de alto y 30 de ancho (el tamaño de unos cuantos libros de mesa apilados uno sobre otro) y se expande hasta ser tres veces más alto y cinco veces más largo. "Ese fue una especie de punto de inflexión", dice Bertoldi. "Significa que tenemos una estrategia simple, limpia y que funciona".

Gregorio Barbero

adrien so

Matt Simón

Julian Chokkattu

En tres meses, dos de sus estudiantes estaban listos para demostrar su refugio de emergencia. Parados en una cancha de baloncesto cubierta de Harvard con un acordeón de grandes láminas de plástico blanco (el prototipo aplanado), Melancon y su compañero de laboratorio Benjamin Gorissen colocaron las láminas apretadas en posición vertical cerca de la línea de tres puntos y encendieron una bomba. Se infló rápidamente en todas direcciones. En lo alto se alzaba un techo triangular; y el contorno de una puerta apareció de la nada, fiel al estilo del origami. Desconectaron la bomba y el refugio de origami permaneció imperturbable en la cancha. Esta estructura se extendía alrededor de 2,5 metros de ancho hacia arriba, lo suficientemente ancha como para una cama tamaño king de California y más alta que Shaq. Más tarde, filmaron su “coche payaso”, que revela cuánto puede contener un refugio como este.

Llevar el origami a estructuras grandes es una tendencia bastante nueva, dice Sychterz, pero prometedora. “En caso de emergencia, se pueden llevar muchos al lugar y luego inflarlos”, añade Sychterz. "Así que es genial mostrar esto porque, obviamente, la forma inicial es muy, muy compacta".

"Esto sigue siendo un prototipo", continúa. "Las siguientes preguntas son: ¿Cómo podemos lograr que no sólo sea producible en masa, sino también más robusto y resistente a los desastres naturales?" Reutilizar un refugio será clave: las estructuras deberían resistir muchos ciclos de inflación, deflación y embalaje plano para transportar a muchos a la vez. Tener estructuras diez o cien veces más grandes que esta prueba de concepto también sería valioso para la ayuda en casos de desastre. Pero la tensión mecánica aumentada estaría mucho más allá de lo que se probó aquí.

Choma está de acuerdo en que resolver cómo inflar el origami para convertirlo en estructuras grandes y rígidas también podría contribuir a la construcción de edificios permanentes. "El cuarenta por ciento del carbono del mundo, más o menos, proviene del entorno construido", dice Choma, refiriéndose a estimaciones globales recientes de que la operación y construcción de edificios representan una enorme proporción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Choma está trabajando en un proyecto en Kenia que utilizará sus estructuras plegables como moldes reutilizables para más de 700 columnas de hormigón en un edificio este año, lo que reduciría las emisiones al reducir la necesidad de materiales, como la madera, que son menos sostenibles.

Choma señala que los arcos de origami son relativamente fáciles de desplegar, por lo que uno inflable no es un salto particularmente importante, pero un concepto de refugio con una puerta funcional es emocionante. "El refugio es el aspecto más radical e innovador del proyecto", dice Choma. "También es bastante elegante".

Bertoldi dice que su equipo está hablando con empresas sobre usos potenciales para los diseños de prototipos, pero aún es muy temprano. El siguiente paso para los desplegables de origami inflables de su laboratorio es el software: una herramienta de simulación mecánica para predecir las formas y materiales correctos. "Demostramos algunas formas que son muy interesantes", dice. “¿Pero hasta dónde podemos llegar?”