MIT-Forscher machen aus flachen Strukturen 3D-Objekte

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine neue Methode entwickelt, die mit einem einzigen Zug an einer Art Schnur aus einer flachen Platte aus Kacheln dreidimensionale Formen macht. Die Technik könnte zur Herstellung zahlreicher Produkte verwendet werden – vom faltbaren Fahrradhelm über Medizingeräte bis zu ganzen Gebäuden wie Notunterkünften oder Feldlazaretten für Katastrophengebiete.

Mina Konaković Luković hat sich dafür von Kirigami inspirieren lassen. Sie ist Leiterin der Algorithmic Design Group am Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT in Cambridge. Zusammen mit ihren Kollegen hat sie sich die alte japanische Kunst des Papierschneidens zunutze gemacht. Dabei entstehen aus einem flachen Stück 3D-Strukturen. Ähnlich arbeitet der von den MIT-Forschenden entwickelte Algorithmus, wenn auch umgekehrt: Er wandelt eine vom User festgelegte 3D-Struktur in eine flache Form zurück, die aus Kacheln besteht. Diese wiederum sind durch drehbare Scharniere an den Ecken miteinander verbunden.

Einmal ziehen, schon fertig – und wieder zurück

Der Algorithmus verwendet dabei eine zweistufige Methode, um für eine Schnur den optimalen Weg durch das Kachelmuster zu finden. Diese muss gespannt werden, um die 3D-Struktur herzustellen. Dabei berechnet der Algorithmus die minimale Anzahl von Punkten, die angehoben werden muss, um die gewünschte Form herzustellen. Der Algorithmus findet dann den kürzesten Weg, diese Hebepunkte zu verbinden – anhand der Ränder des aufzubauenden Objekts. Das Ergebnis sorgt dafür, dass der Weg der Schnur die Reibung minimiert, sodass die Struktur mit nur einem Zug entstehen kann. Der Aufbau ist zudem leicht wieder in die flache Konfiguration umkehrbar.

Die notwendigen Muster lassen sich mittels 3D-Druck, CNC-Fräsen, Guss oder anderen Techniken herstellen. Ein weiterer Vorteil: Der Algorithmus könnte es ermöglichen, bestehende komplexe 3D-Strukturen effizienter und kostengünstiger zu lagern und zu transportieren. Neben den erwähnten Beispielen wäre das auch für größere medizinische Geräte sinnvoll, um sie in schlecht erreichbare Regionen zu bringen. Roboter könnten so schwer zugängliche Räume erreichen, um dort dann aufgefaltet zu werden. Auch interessant: Habitate für Mond oder Mars, die sich so wesentlich leichter in Raumfahrzeugen unterbringen ließen.

Flache Struktur aus jedem 3D-Design

„Die Einfachheit des Aufbaumechanismus ist ein echter Vorteil unseres Ansatzes“, sagt Akib Zaman, Doktorand der Elektrotechnik und Informatik und Hauptautor der Veröffentlichung zu der Forschung. „Der Benutzer muss nur sein gewünschtes Design vorgeben, und dann optimiert unsere Methode es so, dass es nach nur einem Zug an der Schnur seine Form behält.“ Er hoffe, dass die Methode künftig verwendet werde, um eine Vielzahl unterschiedlicher 3D-Strukturen zu schaffen.

Die MIT-Wissenschaftler haben ihre Technik bereits praktisch umgesetzt. So haben sie einen Prototyp für eine Schiene zur medizinischen Haltungskorrektur und eine igluartige Struktur geschaffen. Außerdem entwarfen und fertigten sie einen Stuhl im Menschenmaßstab. Die Technik kann, sagt Zaman, verwendet werden, um Objekte unterschiedlicher Größe herzustellen: von winzigen Gegenständen, die im Körper aktiviert werden, bis zu architektonischen Strukturen wie dem Gerüst eines Gebäudes, die vor Ort mit Kränen aufgebaut werden. In Zukunft wollen die Forschenden Designs an beiden Enden dieses Spektrums weiterentwickeln. Darüber hinaus soll ein Mechanismus entstehen, mit dem sich eine solche 3D-Struktur selbst aufbaut – dann muss niemand mehr an einer Schnur ziehen.

Adam Zewe ist Autor der US-amerikanischen Ausgabe von MIT Technology Review.

Dieser Beitrag ist zuerst auf t3n.de erschienen.

(jle)