随着人类进入太空探索的新领域，卫星和太空飞行器将需要为长途运输装载更多的货物。然而，某些物品，如用于无线通信的碟形天线，构成了挑战，因为它们的标志性碗状形状，不能非常密集地包装在飞行中。
现在，德克萨斯农工大学的研究人员利用折纸的原理——一种古老的日本折纸艺术——用形状记忆聚合物在平面上创造了一个抛物线结构。当加热时，研究人员表明，形状记忆聚合物以一种模仿折叠的系统方式改变其形状。这种重塑将材料提升成盘子的形状。此外，他们还展示了他们的折纸设计的碟形天线和传统的光滑碟形天线一样有效。
“最初，我们主要关注自折叠折纸结构:你如何制作它们，如何将它们设计成不同的形状，你会使用什么材料?”航空航天工程系助理教授达伦·哈特尔博士说。“在回答了其中的一些问题之后，我们转向了折纸工程的一些现实应用，比如自适应天线，这方面的工作还很少。在这项研究中，我们将折叠行为和天线性能结合起来，解决了这一差距。”
研究人员在杂志上描述了他们的天线设计智能材料和结构。
天线有各种各样的设计，它们的主要功能是以电磁波的形式发送或接收信息。有些天线，比如用于电视和太空卫星之间通信的天线，呈抛物线形状。这确保了击中碗形天线的电磁波被反射并汇聚到一个小焦点上。推而广之，当这些天线发射电磁波时，它们是在一个狭窄的方向上发射的，这种特征被称为方向性。
因此，抛物面反射器是空间应用的自然选择，因为它们要么在特定方向上接收或发送信息。然而，它们的形状使它们不方便储存在空间有限的太空飞行器中。当许多天线需要存储在机载时，这个问题就会加剧。
解决这一难题的一种方法是折纸工程。使用这种技术，平面的二维结构可以折叠成精致的三维形状。如果抛物线天线可以用折纸制作成平面，那么它们就可以在火箭内部堆叠或卷起，当准备部署时，可以展开并折叠成抛物线形状。然而，哈特尔解释说，将一块平坦的材料折叠成一个光滑的碗是困难的，而且不直观。
传统的折纸设计需要在尖锐的折痕处折叠薄片材料。另一方面，工程结构有一个厚度，材料的选择可能会使这些尖锐的折痕很难得到。”“因此，我们需要创造出能够平滑弯曲的褶皱。”
为了使折痕处像纸一样折叠，研究人员转向了形状记忆复合材料，这种复合材料在加热时可以改变形状。此外，这些材料价格低廉，重量轻，柔韧，能够多次拉伸而不会损坏。
首先，他们用形状记忆复合材料和卡纸条构建了一个平坦的二维表面。简单地说，就是由形状记忆复合材料将形成平面的硬纸板粘合在一起，类似于雨伞的肋骨将织物固定在适当的位置。此外，在复合材料相交的顶点处，他们切割出一些小洞，作为组装折叠成3D抛物线时的角折痕。
当加热时，研究人员发现复合材料通过系统地弯曲来改变形状，最终将卡片片提升成抛物线碗状。他们还测试了多面抛物面反射器是否和光滑抛物面天线一样有效，结果发现两种天线的性能相当。
哈特尔说，这项研究是利用折纸原理制造高功能工程结构的重要一步，这些结构可以紧凑地存放，并且在需要时很容易部署。
他说:“除了其他应用之外，基于这项研究的未来进展可能会导致军用和空间电信应用的变形反射天线。”
这项研究的其他贡献者包括Sameer Jape, Milton Garza和来自航空航天工程系的Dimitris Lagoudas博士;电气与计算机工程系的Joshua Ruff和Francisco Espinal;宾夕法尼亚州立大学的迪安娜·塞申斯和格雷戈里·赫夫博士;以及加州大学欧文分校的埃德温·A·佩拉扎·埃尔南德斯。
这项研究由美国国家科学基金会和空军科学研究办公室资助。