Origami. Jak japońska sztuka składania papieru wykorzystywana jest w nowych technologiach?

Inżynieria inspirowana origami została wykorzystana m.in. w sprzęcie kosmicznym NASA, w rozwoju lepszych stentów sercowych, a nawet w mikrobiologii, przy badaniu DNA. Poza tym wymyślono także strawialne tabletki origami, które mogą stanowić alternatywę dla inwazyjnej chirurgii czy panele słoneczne.

Te przykłady pokazują, że mnogość możliwości tworzenia różnych kombinacji opartych na składaniu tylko jednej warstwy danego materiału ma ogromny potencjał dla wielu zastosowań inżynieryjnych. Naukowcy posiłkują się origami często w celu zmieszczenia dużych rzeczy na małej przestrzeni.

Modele origami zawdzięczają swoje kształty elastyczności papieru, natomiast tradycyjna inżynieria wykorzystuje zawiasy i łożyska, które są dodatkowymi elementami konstrukcji, często zbyt dużymi lub ciężkimi. Z kolei subtelne piękno origami wynika z matematycznych zasad, które działają równie dobrze w świecie metalu, plastiku, jak i papieru. Jeśli zasady origami zostaną zastosowane do materiałów bardziej wytrzymałych niż papier, możliwości w tworzeniu nowych rozwiązań są nieograniczone.

O ogromnym potencjale origami świadczy zainteresowanie tą sztuką wydziałów inżynierii na uniwersytetach na całym świecie, w tym MIT, Notre Dame, Purdue University i Harvardu, które w ciągu ostatnich 15 lat nauczały technik inspirowanych sztuką składania papieru.

Jak rozwijało się origami?

Origami ewoluuje od czasu, gdy buddyjscy mnisi przywieźli papier z Chin do Japonii w VI wieku. Ponieważ papier był drogi i nie był powszechnie dostępny, jego pierwsze zastosowania w origami dotyczyły ceremonii religijnych. Przyjmuje się, że praktyka składania papieru powstała ok. roku 700.

Jednym z pierwszych znanych kształtów był „Shide”, składana konstrukcja z papieru przymocowana do liny lub drewna używana w rytuałach oczyszczających. Potem pojawiły się „Mecho” i „Ocho”, męskie i żeńskie motyle, które były przyczepiane do butelek po sake na tradycyjnych weselach Shinto. W XVII wieku origami zaczęło być popularną formą spędzania czasu wolnego, dzięki pojawieniu się masowo produkowanego papieru.

Do lat 50-tych XX  wieku tworzono raczej te same, znane formy. Jednak w połowie ubiegłego stulecia, japoński artysta Akira Yoshizawa zainspirował nowe pokolenie artystów i naukowców swoimi złożonymi i realistycznymi odzwierciedleniami zwierząt. Potem fizyk, Robert Lang połączył formuły matematyczne ze sztuką składania papieru.

Poduszki powietrzne

Wśród wielu praktycznych zastosowań inspirowanych origami Langa znajduje się poprawa bezpieczeństwa poduszek powietrznych w samochodach. Podczas gdy w rzeczywistości spłaszczenie poduszki powietrznej jest dość łatwe do zrobienia – wystarczy wypuścić z niej całe powietrze – to symulacja procesu spłaszczania jest sporym wyzwaniem. Aby spłaszczyć poduszkę powietrzną, należy najpierw potraktować ją jako sztywny przedmiot (jakby była zrobiona z tektury), następnie znaleźć zagniecenia, które ją spłaszczają, a potem złożyć ją do małej paczki.

Lang opracował już kilka algorytmów komputerowych dla poduszek powietrznych.

EASi Engineering, niemiecka firma specjalizująca się w inżynierii wspomaganej komputerowo, włączyła algorytm Langa do swojego kodu i wykorzystała go do kilku symulacji. Zastosowanie origami do składania poduszek powietrznych jest nadal przedmiotem badań.

Składana tabletka i znikający robot

W międzyczasie naukowcy z MIT odkryli sposób, jak poradzić sobie z połykaniem baterii przez dzieci. Badacze opracowali malutką pigułkę origami, która połknięta, rozszerza się w żołądku i za pomocą magnesu wyprowadza baterię z organizmu. Potencjał operacji nieinwazyjnych bez konieczności znieczulenia jest tutaj ogromny.

MIT stworzył także roboty, które same się tworzą, mogą chodzić, kopać, pływać, a następnie rozpłynąć się w nicość.

Urządzenia mają zaledwie 1,7 cm, są wykonane z magnesów i PCV umieszczonych pomiędzy warstwami laserowo ciętego papieru lub polistyrenu. Po umieszczeniu na elemencie grzejnym PCV kurczy się, wykonując cięcia, które wraz z elektromagnetycznymi cewkami pod powierzchnią umożliwiają robotowi składanie się i przesuwanie.

Ponieważ roboty te mogą się całkowicie rozpuścić, pierwotnym ich przeznaczeniem miało być zaplombowanie komórek nowotworowych lub oczyszczenie zatkanych tętnic.

Origami i NASA

NASA wykorzystało origami jako orbitujące panele słoneczne, które mogą przesyłać energię z przestrzeni kosmicznej. Wyzwaniem dla naukowców było, jak tradycyjnie duże panele słoneczne można umieścić w przestrzeni, dlatego stworzyli takie, które składają się do wersji bardziej kompaktowej i rozkładają wtedy, kiedy to potrzebne. Takie innowacje wprowadzili pracownicy NASA. Cały projekt miał zostać zapakowany w statek kosmiczny, aby po złożeniu zajmował tylko 8,9 m średnicy, a następnie rozwinął się do rozmiaru 25 m.

Później NASA opracowała Bigelow Expandable Activity Model (BEAM), który wyglądał jak gigantyczna poduszka powietrzna, którą można nadmuchać w celu zwiększenia powierzchni mieszkalnej stacji kosmicznej.

Chwytak do łapania delikatnych stworzeń głębinowych

Naukowiec z Uniwersytetu Harvarda, Robert Wood przed kilkoma laty wykorzystał origami do zaprojektowania chwytaka do łapania delikatnych stworzeń głębinowych. Pięć ramion urządzenia posiada połączone pięciokąty i trójkąty, które składają się do pojemnika używanego do łapania miękkich zwierząt morskich, takich jak meduzy i ośmiornice, bez wyrządzania im szkody.

Chwytak, który może być przymocowany do zrobotyzowanej łodzi podwodnej, składa ramiona za pomocą jednego silnika. Jest to ważne, ponieważ mniejsza liczba komponentów oznacza, że w środowisku głębokiego oceanu jest mniej rzeczy, które mogą ulec awarii.

Kuloodporne tarcze

Konwencjonalne kuloodporne tarcze używane przez policję mogą ważyć nawet ponad 40 kg i zapewniać ochronę tylko jednej osobie. Dlatego zespół inżynierów z Uniwersytetu Brighama Younga wykorzystał origami do zaprojektowania 25 kg tarczy, która jest wystarczająco szeroka, aby chronić kilka osób, a jednocześnie może łatwo zmieścić się w bagażniku samochodu.

Specyficzny wzór składania, który zainspirował projekt, pochodzi sprzed  prawie 100 lat. Ale aby gruba, kuloodporna tkanina złożyła się jak papier, trzeba było wprowadzić dodatkowe poprawki. Inżynierowie wsunęli do tkaniny sztywne panele, a miękkie obszary pomiędzy płytami działają jak zawiasy.

”Mięśnie” dla robotów

Konwencjonalne roboty mają sztywne ciała i szarpią przy poruszaniu, co może powodować obrażenia u ludzi będących w pobliżu, więc naukowcy pracowali nad stworzeniem „miękkich” robotów. Zespół na Harvardzie wykorzystał origami do stworzenia miękkich, sztucznych mięśni, które mogłyby napędzać takie roboty.

Mięśnie wykonane są ze złożonych szkieletów zamkniętych w wypełnionych płynem woreczkach. Po zastosowaniu podciśnienia do woreczków szkielety zapadają się w sposób przewidywalny, dzięki czemu mięsień kurczy się tak, jak prawdziwy.

Sztuczne mięśnie są nadal rozwijane, ale badania wykazały, że są w stanie unieść do 1000 razy więcej niż wynosi ich własna waga.

Oriceps – chwytaki chirurgiczne

Larry L. Howell, profesor inżynierii  na Uniwersytecie Brighama Younga uznał, że origami może być przydatne do tworzenia kompaktowych urządzeń w chirurgii automatycznej. W 2013 r. Howell wraz z innymi naukowcami wynaleźli oriceps, malutkie chwytaki chirurgiczne. Badacze stworzyli zwijacz do odsuwania na bok organu podczas operacji. Może być on wprowadzony przez małe nacięcie, a następnie umieszczony wewnątrz ciała. Intuitive Surgical, twórca robotów chirurgicznych da Vinci Surgical, licencjonował już pateny na oriceps. Naukowiec jest także twórcą wcześniej wymienionej tarczy kuloodpornej oraz pieluch dla dorosłych także składanych jak origami.

Koncepcje z origami mogą być wykorzystane do projektowania i rozwoju nowych urządzeń medycznych. Tworzenie narzędzi medycznych opartych na origami cały czas postępuje, a naukowcy udoskonalają metody projektowania, materiały, techniki produkcji i efektywność składania.

Obecnie origami ma swoje zastosowanie w medycynie w: jednorazowych osłonkach sterylizacyjnych, cewnikowaniu serca, stentgraftów, enkapsulacji i mikrochirurgii, mikrochirurgii przewodu pokarmowego, chwytaków chirurgicznych laparoskopowych, mikrochwytów, urządzeń mikroprzepływowych oraz przy podawaniu leków.

Origami istnieje od wieków, ale wydaje się, że dopiero zaczynamy odkrywać jego potencjał do zmiany świata. To połączenie nauki i sztuki znajduje cały czas wiele zastosowań w inżynierii. Z całą pewnością naukowcy zaskoczą nas jeszcze niejednym „składanym” wynalazkiem.

Kajak składany po japońsku

Jak bardzo może przydać się origami, przekonał się kajakarz z Południowej Karoliny, Dan Norton, twórca kajaka, który w 2 minuty można złożyć do prostokątnego opakowania o wymiarach 122 na 38 na 20 cm. Jest on wykonany z materiału pochodzącego z recyklingu.

Projekt pojawił się na Kickstarterze i zrobił furorę. Cel zbiórki Norton określił na 15 tys. dolarów, tymczasem 3 dni przed końcem, na koncie projektu było ponad milion dolarów.

Tucktec, bo tak się nazywa zaprojektowany kajak, wykonany jest z litego arkusza plastikowego. W miejscach, gdzie się zagina podczas składania, wzmocniony jest włóknem węglowym. Po rozłożeniu ma 305 cm długości i 79 cm szerokości. Waży 12,7 kg i może utrzymać osobę ważącą do 158 kg.

Nie jest to pierwszy projekt kajaka składanego jak origami. Ponad 10 lat temu podobny kajak powstał w San Francisco.