Les plis carrés concentriques de l'origami paraboloïde hyperbolique se combinent pour tirer les pointes du papier dans des directions opposées, formant les arcs opposés. Crédit :Allison Carter
Bien qu'elle ne soit peut-être pas aussi emblématique que la grue en papier, l'origami hypar avec ses grands arcs opposés et sa forme en selle est depuis longtemps populaire pour les artistes travaillant dans la tradition du pliage du papier.
À présent, des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de l'Université de Tokyo examinent la forme en vue de tirer parti de ses propriétés structurelles, dans l'espoir de trouver des moyens d'exploiter sa bistabilité pour construire des dispositifs multifonctionnels ou des métamatériaux.
Pour une étude publiée le 17 septembre dans la revue Communication Nature et soutenu par la National Science Foundation, les chercheurs ont d'abord examiné si le motif d'origami populaire qui ressemble au paraboloïde hyperbolique géométrique - ou hypar - avait les mêmes caractéristiques physiques que son homologue géométrique et ont essayé de comprendre comment ses plis contribuent à la formation du motif.
"Le paraboloïde hyperbolique est un motif frappant qui a été utilisé dans les conceptions architecturales du monde entier, " dit Glaucio Paulino, professeur à la Georgia Tech School of Civil and Environmental Engineering. "Comme un modèle d'origami, il a une bistabilité structurelle qui pourrait être exploitée pour les métamatériaux utilisés dans le piégeage de l'énergie ou d'autres dispositifs microélectroniques."
Glaucio Paulino, professeur et titulaire de la chaire d'ingénierie Raymond Allen Jones à la Georgia Tech School of Civil and Environmental Engineering, détient un origami "hypar". Crédit :Allison Carter
La bistabilité structurelle fait référence à la capacité du motif d'origami à trouver un équilibre au repos dans deux états différents, lorsque la forme de la selle s'inverse sur elle-même. Cette capacité pourrait permettre aux appareils basés sur la structure de l'origami de se reconfigurer pour pointer les arcs dans des directions opposées à la volée.
Comme tout autre origami, le motif commence par une feuille de papier plate, qui est ensuite plié le long de carrés concentriques. Ces plis se combinent pour tirer les pointes du papier dans des directions opposées, formant les arcs opposés d'un paraboloïde hyperbolique.
Pour mieux comprendre les mécanismes qui créent les formes de selle, les chercheurs ont créé un modèle théorique qui pourrait servir à prédire le comportement de l'origami, et leur analyse a renforcé l'idée que la structure présentait les mêmes caractéristiques de son homologue géométrique.
"L'une des choses vraiment intéressantes que nous avons trouvées était que les plis des carrés concentriques n'avaient pas besoin d'être uniformes dans leurs décalages pour former l'origami hypar, " dit Ke Liu, ancien étudiant diplômé de Georgia Tech et maintenant chercheur postdoctoral au California Institute of Technology. "Donc, certains carrés pourraient être assez proches les uns des autres et d'autres plus éloignés et la forme globale serait toujours un paraboloïde hyperbolique."
Les arcs opposés du paraboloïde hyperbolique ont inspiré des conceptions architecturales pendant des années, ainsi que le saisissant origami "hypar". Crédit :Allison Carter
Cependant, les chercheurs ont noté que le manque d'uniformité dans les plis modifierait d'autres aspects de la structure, comme la quantité d'énergie nécessaire pour le pousser dans sa forme hypar.
"Vous pourriez théoriquement ajuster chaque structure d'origami hypar individuelle en changeant l'échelle de ces plis, et cela changerait la façon dont cette structure répond aux pressions qui s'y opposent, " a déclaré Liu. " Les futures conceptions pour la robotique ou d'autres appareils électroniques pourraient utiliser ce genre de comportement de claquement. "
Les chercheurs ont également plié l'origami en un ensemble de carrés de sorte que quatre motifs d'origami hypar soient formés sur la même feuille de matériau. Un modèle physique a montré que la structure a jusqu'à 32 configurations stables différentes.
« La tessellation hypar avec plusieurs états stables a des applications prometteuses en tant que métasurfaces et commutateurs sensibles au stimulus, " dit Tomohiro Tachi, qui est professeur agrégé à l'Université de Tokyo, Japon.
"Ces types de configurations pourraient jeter les bases de futures métasurfaces aux propriétés reconfigurables et à haut niveau d'accordabilité, " dit Paulino, qui est également titulaire de la chaire d'ingénierie Raymond Allen Jones à l'École de génie civil et environnemental.
