Von der einfachen Form zur komplexen Gestalt. Origami nennt sich die japanische Kunst, die durch geschicktes Falten aus einem Blatt Papier die wundersamsten Gebilde zaubert. So entstehen nicht nur dreidimensionale Weihnachtssterne, sondern auch kunstvolle Blumen oder Tiere. Doch Origami ist nicht nur Kunst, sondern auch eine Technik der Zukunft, die in der Raumfahrt, Medizin oder Architektur eingesetzt werden kann. Die Falttechnik birgt viele überraschende Vorteile. Sie ist platz- und materialsparend, kommt ganz ohne Schere und Klebstoff aus und verleiht Dingen neue Funktionen. Zum Beispiel verbessern Faltungen an der richtigen Stelle die Stabilität, ohne dass dafür zu einem dickeren Blatt Papier gegriffen werden muss.

Im Bauwesen dienen Origami-Konstruktionen dazu, die Belastbarkeit von Tragwerken zu verbessern. Dazu werden die Falttechniken zum Teil auf Holzwerkstoffe übertragen. Berechnungen haben ergeben, dass bestimmte Varianten wie Rauten- oder Fischgrätenfaltung stabile Hallendächer von bis zu 40 Metern Spannweite ermöglichen. Das Holz selbst wird nicht gefaltet, sondern in Elemente zugeschnitten und mit Stiften verbunden. Aus Materialien wie Karton lassen sich aber auch Strukturen falten, aus denen man Wände oder leichte, aber sehr belastbare Böden schaffen kann, zum Beispiel für mobile Unterkünfte. Flugzeuge wiederum sollen künftig durch Origami-Techniken bis zu 40 Prozent leichter werden als bisher.

Meister der Kunst koppeln funktionale Faltmethoden so gekonnt miteinander, dass sie ihre Konstruktionen mit immer neuen Eigenschaften ausrüsten. So entstehen zum Beispiel aus sich kreuzenden Falzen Scharniergelenke, die Beweglichkeit ermöglichen. Entwickelt werden sich selbst entfaltende Flächen oder Teile, die sich im Takt bewegen.

Origami ist jedoch keine Erfindung des Menschen. Die Natur nutzt seit eh und je raffinierte Falttechniken. Das zeigt sich nicht nur in Flügeln, Blüten oder Blättern – zum Teil großen stabilen Flächen mit minimalem Materialaufwand, hoher Biegsamkeit und großer Formenvielfalt. Origami reicht bis in die molekulare Ebene. Komplexe dreidimensionale Gebilde übernehmen bestimmte Funktionen in Zellen. Sie sind mit geringstmöglichem Energie- und Materialeinsatz optimal an die biologische Funktion angepasst.

Das hat das Interesse von Forschern geweckt, die untersuchen, wie sich das Origami-Prinzip auf technische Probleme übertragen lässt. Damit beschäftigt sich etwa Hendrik Dietz, Professor für experimentelle Biophysik an der TU München. Er baut aus Molekülen winzige Maschinen, beispielsweise eine Art Roboter, der äußerlich einem menschlichen Wesen ähnelt. Dafür nutzt er eine junge Technik, die als DNA-Origami bezeichnet wird.

Mini-Wesen aus DNA-Strängen

Die Gestalt ist nur ein Zehntel Mikrometer groß und damit so klein wie eine Bakterie. Das künstliche Wesen aus dem Nanokosmos verfügt wie ein Mensch über einen Rumpf mit zwei Armen und Beinen. Auf ein chemisches Signal hin hebt und senkt es seine beiden Arme. Dieser Mechanismus könnte eines Tages dazu verwendet werden, um medizinische Wirkstoffe im Körper auf Kommando freizusetzen.

Für die Konstruktion des molekularen Maschinen-Menschleins griff Dietz auf ein Molekül zurück, das von Natur aus darauf getrimmt ist, sich selbst zu ergänzen und so in eine stabile Form zu bringen. Das ist die aus zwei komplementären Einzelsträngen zusammengesetzte DNA, also der Träger der Erbinformation. Beim DNA-Origami werden kurze Stränge derart mit einem langen Einzelstrang verbunden, dass dieser an den Nahtstellen in vorausberechneter Weise einknickt. So können DNA-Moleküle mehrfach gefaltet und in die gewünschte Form gebracht werden.

Sogar dynamische Verbindungen lassen sich erzeugen, die mittels chemischer Reaktionen veränderbar sind. Auf diese Weise hebt und senkt der Molekülroboter seine Arme. Noch sei das Grundlagenforschung betont Dietz. Aber er ist überzeugt: „In nicht allzu ferner Zukunft wird die biologisch inspirierte Nanotechnologie unser tägliches Leben verändern.“

Das sieht auch sein Kollege William Shih von der Harvard Medical School in Boston so. Am Computer entwirft er dreidimensionale Objekte, zum Beispiel Oktaeder, die sich im Reagenzglas über molekulares Origami von selbst zu winzigen Käfigen aus DNA zusammensetzen. In Tierversuchen wies der Forscher nach, dass die Strukturen im Organismus nicht nur stabil, sondern auch körperverträglich sind. Shih sieht für sie eine große Zukunft, etwa als intelligente Verpackung für Medikamente. „Patienten mit Krebs könnten enorm von solchen maßgeschneiderten Werkzeugen profitieren“, sagt er. Das Ziel ist, die Molekülkäfige mit einem Mechanismus auszustatten, der dafür sorgt, dass diese gezielt an bestimmte Organe und Gewebe ankoppeln und dort ihre heilende Fracht quasi auf Knopfdruck freisetzen.

Punktgenauer Einsatz am Herzen

In anderen Bereichen entfaltet das Origami-Prinzip schon jetzt seine heilsame Wirkung. Ein Beispiel sind minimal-invasive Herzoperationen, für die seit einigen Jahren spezielle Gefäßstützen – sogenannte Stents – zum Einsatz kommen. Die dünnen Röhrchen sollen verengte Blutgefäße offenhalten. Sie werden per Katheter durch einen kleinen Schnitt in der Leisten- oder Armregion in ein Blutgefäß eingeführt und bis zum Engpass am Herzen vorgeschoben. Als starres Röhrchen passen Stents nicht durch die Blutgefäße, zu groß wäre die Verletzungsgefahr.

Mit einigen Kniffen aber gelingt die Passage sicher. Dafür muss die Gefäßstütze in genau vorausberechneter Weise zusammengepresst werden. Deshalb ist deren Wand wie ein Maschenwerk aufgebaut. Ein Computerprogramm berechnet dafür die exakte Geometrie, die ein Laser präzise in das Röhrchen schneidet. Neuerdings lassen sich solche filigranen Konstruktionen auch als Flechtwerk aus haarfeinen Drähten herstellen. Alle Implantate bestehen aus einem besonderen Werkstoff, einem sogenanntem Formgedächtnismetall. In diesem ist der Mechanismus der Selbstentfaltung vorgeprägt und wird später durch die Körperwärme ausgelöst.

Dass Falten eine Kunst ist und sich damit zugleich Energie sparen lässt, beweist das Sonnenschutzrollo, das Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Dresden gemeinsam mit der Kunsthochschule Berlin-Weißensee entwickelt haben. „Für die Steuerung benötigen wir keinen Strom, sondern nutzen ausschließlich die Wärmeenergie der Sonne“, sagt der IWU-Forscher André Bucht.

Die Jalousie ist aus textilen Bausteinen zusammengesetzt, die durch Drähte verbunden sind. Treffen wärmende Lichtstrahlen darauf, ziehen sich die Drähte zusammen und entfalten die Jalousie. Dabei ordnen sich die einzelnen Elemente der Jalousie zu reizvollen geometrischen Mustern an. Wird es schattig und kühl, entspannen die Drähte. Die einzelnen Stoffelemente falten sich selbsttätig zusammen. Die intelligenten Energiesparrollos wird man schon bald an den Glasfassaden von Bürotürmen bewundern können, hoffen die Forscher.

Sogar die US-amerikanische Raumfahrtbehörde Nasa hat dem Origami-Prinzip ein Forschungsprojekt gewidmet. „Wir untersuchen, wie sich großflächige Strukturen wie Solarzellenkraftwerke für die Energieversorgung von Satelliten und Raumstationen möglichst platzsparend verpacken lassen“, sagt der Nasa-Ingenieur Brian Trease. Mittels mathematischer Programme entwarfen die Forscher am Computer ein Modell, das in vielen Simulationsschritten verbessert wurde.

So entstand im Labor für Strahltriebwerke in Pasadena eine blumenartige Trägerkonstruktion für die Solarzellen, „HanaFlex“ genannt, in Anlehnung an das japanische Wort Hana für Blume. Um die zylindrische Nabe in der Mitte der Konstruktion schmiegen sich die eingeklappten Haltevorrichtungen für die Solarzellen wie eingefaltete Blütenblätter an. Im Weltraum entfaltet sich die Origami-Blume zu einem Sonnenkraftwerk von 25 Metern Durchmesser. Der Nasa-Forscher sieht darin den Anfang einer neuen Technik: „Das Origami-Prinzip wird uns helfen ein ganzes Arsenal neuer, nützlicher Dinge zu entwickeln, die kleiner, leichter und kostengünstiger werden.“