Origami

Jun 05, 2023

Amanda Pedersen | 07 mars 2023

Les technologies inspirées de l'origami ont conduit à des percées dans de nombreux secteurs, notamment la technologie des batteries, la conception d'engins spatiaux et, oui, même la technologie médicale.

Au fil des ans, MD+DI a rendu compte de nombreuses technologies inspirées de l'origami. En effet, en 2015, les batteries inspirées de l'origami sont arrivées en tête d'une série d'enquêtes demandant aux lecteurs de MD+DI d'identifier les nouvelles technologies les plus susceptibles d'avoir un impact profond sur la medtech dans les années à venir.

Plus tôt cette année-là, des chercheurs de l'Arizona State University (ASU) ont utilisé une variante de l'origami, appelée kirigami, comme modèle de conception pour les batteries qui peuvent être étirées à plus de 150 % de leur taille d'origine tout en conservant toutes leurs fonctionnalités (photo ci-dessus). Un article décrivant comment les chercheurs de l'ASU ont développé des batteries litium-ion à base de kirigami a été publié le 11 juin 2015 dans la revue Nature's Scientific Reports. La batterie prototype à base de kirigami a été cousue dans un bracelet élastique qui était attaché à une montre intelligente. La batterie alimentait entièrement la montre et ses fonctions - y compris la lecture de vidéos - pendant que le bracelet était étiré.

"La plupart des appareils portables vont nécessiter de l'énergie, et pour certains, il y aura autant d'énergie que possible entassés dans des formes inconfortables ou qui doivent fléchir lorsque l'utilisateur bouge", a déclaré Bill Evans, maintenant vice-président de Neptune Medical, à MD+DI en 2015. ."

Les chercheurs de l'ASU ont commencé il y a deux ans avec le pli Miura de l'origami, a expliqué Hanqing Jiang, professeur de génie mécanique et aérospatial à l'ASU. La méthode, du nom de son inventeur, l'astrophysicien japonais Koryo Miura, consiste à plier une surface plane en une zone plus petite.

"L'origami et le kirigami appartiennent aux beaux-arts. Ils n'ont été utilisés que très récemment par les ingénieurs", a déclaré Jiang.

Miura semblait avoir du potentiel lorsqu'il s'agissait de fournir une certaine élasticité à des batteries lithium-ion autrement rigides. Mais Jiang et ses collègues, les doctorants Zeming Song et Xu Wang, se sont rapidement heurtés à un problème : Miura est extensible, mais la hauteur a considérablement changé après des étirements répétés. La solution sur laquelle Jiang, Song et Wang sont tombés était une forme d'origami appelée kirigami qui implique à la fois de plier et de couper. Kirigami a permis de couper et de tordre pour créer des structures imbriquées de batteries lithium-ion extensibles.

L'origami s'est également avéré utile pour Seokheun Choi, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'Université de Binghamton (Binghamton, NY). Choi a proposé des biopiles en papier inspirées de l'origami (photo ci-dessous) qui pourraient potentiellement alimenter des capteurs et d'autres dispositifs médicaux de faible puissance dans les pays en développement.

Les piles comprennent une cathode à respiration d'air créée en pulvérisant du nickel sur une face de papier de bureau ordinaire. L'anode est une sérigraphie avec des peintures au carbone. Une goutte de n'importe quel type de liquide contenant des bactéries peut produire de l'électricité sur la biobatterie en papier. Il y avait cependant un défi de conception important. Choi avait besoin d'enchaîner quelques-unes de ces batteries en papier afin de produire suffisamment de microwatts pour être utiles. Un biocapteur a des contraintes d'espace. Choi, qui a obtenu un doctorat de l'Arizona State University, était au courant du travail des chercheurs de l'ASU et du travail d'autres ingénieurs qui avaient utilisé l'origami. Il a fourni une solution élégante pour Choi.

"Vous pourriez réduire la taille en pliant des techniques. … Je pourrais connecter 28 batteries pour augmenter la densité de puissance en utilisant les technologies d'origami. Je pense que cette technique est un excellent outil potentiel pour toute biobatterie ou toute batterie utilisant des substrats à base de papier. Elle a un énorme potentiel", a déclaré Choi.

En 2016, des chercheurs de l'Université Brigham Young (BYU ; Provo, UT) qui avaient déjà travaillé avec la NASA pour utiliser les principes de l'origami dans la conception d'engins spatiaux, ont commencé à utiliser des techniques d'origami connexes pour façonner des outils chirurgicaux suffisamment petits pour être insérés dans des trous dans la peau qui peuvent guérir sans sutures. BYU a autorisé la technologie au pionnier de la chirurgie robotique Intuitive Surgical. Cette vidéo (transcription disponible ci-dessous) détaille certaines des technologies inspirées de l'origami que BYU a concédées sous licence à Intuitive.

L'industrie des dispositifs chirurgicaux avait atteint un point où il devenait impossible de réduire la taille des outils chirurgicaux à l'aide d'instruments traditionnels. Mais les ingénieurs de BYU ont pu éliminer les articulations à broches de certains instruments chirurgicaux, en utilisant à la place un design inspiré de l'origami. Par exemple, ils ont créé des pinces à commande robotique conçues pour s'adapter à l'intérieur d'un trou de 3 mm. "Ces petits instruments permettront d'effectuer une toute nouvelle gamme de chirurgies, espérons-le, en manipulant un jour des choses aussi petites que des nerfs", a déclaré à l'époque Spencer Magleby, professeur de génie mécanique à BYU. "Les idées inspirées de l'origami nous aident vraiment à voir comment rendre les choses de plus en plus petites et les rendre de plus en plus simples." Les chercheurs travaillaient également sur un appareil connu sous le nom de D-Core, qui est initialement dans une configuration 2-D mais se développe pour devenir deux surfaces arrondies qui peuvent rouler pour simuler l'interaction des disques intervertébraux. Le dispositif peut être réalisé en un seul matériau. Les chercheurs de l'époque avaient créé des versions à partir de Tyvek, de polycarbonate, de polypropylène et de verre métallique. La recherche D-Core a été publiée dans Mechanism and Machine Theory en 2015.

Transcription de la vidéo

Spencer Magleby, professeur de génie mécanique, BYU : L'une des raisons pour lesquelles l'industrie médicale s'intéresse à l'origami est de créer des appareils plus petits, et ils voulaient un nouveau concept - pas seulement un appareil plus petit, mais une nouvelle façon de penser les appareils.

Robert Lang, artiste origami, Robert J. Lang Origami : L'origami est souvent utile en médecine pour la même raison qu'il est utile dans l'espace. Si vous avez quelque chose qui est plat et qui ressemble à une feuille mais que vous voulez le faire entrer dans le corps, vous voulez qu'il passe par un trou aussi petit que possible.

Spencer Magleby : Les médecins sont toujours à la recherche d'un moyen d'être moins invasif ou d'être plus précis ou peut-être de faire des chirurgies qui nécessitent plus de précision, peut-être en travaillant avec des nerfs ou quelque chose de très petit. BYU a récemment conclu un accord avec Intuitive Surgical pour concéder sous licence des brevets sur des dispositifs qui ont été développés dans notre laboratoire. Intuitive Surgical est une entreprise qui fabrique le robot da Vinci qui effectue des chirurgies de manière robotique. Ici, nous pouvons voir l'un de leurs dispositifs actuels qui sert à saisir des objets ou à tenir une aiguille pour faire des sutures. l'inspiration initiale pour le dispositif de préhension sur lequel nous avons travaillé était un motif d'origami que les gens appellent communément chompers. Voici un prototype à grande échelle basé sur des idées d'origami visant à réduire le nombre de pièces.

Orateur non identifié : Donc, vous pouvez voir qu'ici, nous avons juste ce plastique imprimé en 3D, et ici, nous sommes en fait passés à l'impression 3D et à l'acier inoxydable, et nous avons pu fabriquer les pièces à cette échelle de 4 millimètres.

Spencer Magleby : L'impression 3D nous permet d'expérimenter la forme ou le prototype très rapidement. Je peux avoir une idée de l'ordinateur à l'imprimante 3D et dans notre laboratoire pour un aperçu en moins d'une journée. Nous avons environ un tiers ou un quart du nombre de pièces d'un appareil actuel, donc beaucoup moins de pièces et les pièces que nous avons, la complexité des pièces, est plus faible. Notre grande idée est que nous pouvons rendre les choses de plus en plus petites en nous inspirant de choses comme l'origami qui sont très simples. Ainsi, au lieu d'essayer de rendre cette complexité de plus en plus petite, nous optons tôt pour la simplicité. Ces nouveaux appareils que nous avons créés pour permettre à la chirurgie robotique à plus petite échelle d'être moins invasive, nous avons vraiment l'impression que nous allons faire une grande différence.

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