Technologia

Fantazja składania

Numer 5/2018
Ozdobne ­pudełko ­origami, czyli tsutsumi. Ozdobne ­pudełko ­origami, czyli tsutsumi. Marketa Kuchynkova / Shutterstock
Origami szturmem zdobywa świat nauki i techniki. Składanie oznacza bowiem fałdowanie, zginanie i rozwijanie konstrukcji wedle życzenia, co stwarza ogromne możliwości wykorzystania tej techniki w różnych inżynierskich projektach: od miniaturowych robotów przydatnych w chirurgii inwazyjnej aż do paneli słonecznych, które można by szczelnie zapakować w rakiety i rozłożyć setki czy tysiące kilometrów nad naszymi głowami.
Żuraw złożony wg starożytnego wzoru.Tiger Images/Shutterstock Żuraw złożony wg starożytnego wzoru.
Schemat składanej baterii litowo-jonowej stworzonej na Arizona State University.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Schemat składanej baterii litowo-jonowej stworzonej na Arizona State University.

Tuż po wynalezieniu papier należał do drogich i ekskluzywnych materiałów, dlatego początkowo origami było zarezerwowane wyłącznie dla elit. Wykonywano je przede wszystkim w celach religijnych. Buddyjscy mnisi składali z papieru symboliczne figurki obrzędowe, a wyznawcy shintoizmu (tradycyjnej religii Japonii) używali go do tworzenia dekoracyjnych opakowań, tzw. origami tsutsumi, w których umieszczali dary dla swoich bóstw. Origami tsuki z kolei przyczepiano do różnego rodzaju dyplomów (np. dla japońskich mistrzów ceremonii herbacianych) lub dzieł sztuki i mieczy, co miało gwarantować autentyczność przedmiotu czy dokumentu.

Kiedy papier stał się łatwo dostępny, origami zaczęło ozdabiać korespondencję, prezenty i inne przedmioty. Papierowymi motylami dekorowano weselne butelki sake, co miało przynieść szczęście młodej parze. Składano też seriami figurki żurawi, bo wedle japońskiej tradycji wykonanie ich 1000 sztuk gwarantowało długie życie. Na pewno na taką nagrodę zasłużył sobie Akisato Rito, który w 1797 r. opublikował pierwszą w historii książkę o origami, tj. „Hiden senbazuru orikata” (Tajniki składania tysiąca żurawi). Za arcymistrza tej umiejętności uważa się jednak Akirę Yoshizawę, który rozpowszechnił origami na całym świecie i podniósł je do rangi sztuki. W 1954 r. opublikował „Atarashii origami geijutsu” (Nowa sztuka origami), w której zastosował symbole i notatki używane do dzisiaj do opisania sposobu składania danego modelu. Szacuje się, że w swoim życiu stworzył on 50 tys. różnych figurek. Niestety tylko niewielka ich część została oficjalnie udokumentowana w jego opublikowanych książkach. XX w. przyniósł jeszcze jedną zmianę w tej dziedzinie – ustandaryzowano bowiem reguły składania origami. Przede wszystkim uzgodniono, że punktem wyjścia powinna być kwadratowa kartka. Zabroniono też korzystania z kleju, nożyczek czy farb do ozdabiania figurek. Ograniczenia te okazały się wyzwalaczem dla ludzkiej wyobraźni i motywacją do tworzenia coraz to bardziej skomplikowanych modeli. Obecnie dopuszcza się już użycie kartki w kształcie prostokąta, koła czy trójkąta, ale klejenie, nacinanie i ozdabianie origami nadal uznaje się za niedopuszczalne.

Origami z komputera

O ile jeszcze 40 lat temu wszystkie wzory origami utrzymane były w podobnym stylu i nieco odbiegały od oryginału, o tyle dzisiejsze dzieła zaskakują już dbałością o szczegóły. Na całym świecie powstają hiperrealistyczne figurki i wzory, które wcześniej uznawano za niemożliwe do wykonania. Niewątpliwie najwięcej tworzy się modeli przedstawiających owady, pająki i skorupiaki. Sześcionogi żuczek, pasikonik i modliszki w trakcie zalotów? Nic prostszego! Wystarczy kartka papieru, zwinne ręce i... podstawy matematyki. Przynajmniej tak twierdzi Robert Lang, amerykański fizyk, który w wieku 40 lat porzucił pracę naukową, by oddać się pasji składania papieru. Zauważył on, że po rozłożeniu jakiejkolwiek figurki origami pozostaje na papierze unikalny szablon (wzór zagięć), który da się opisać prawami matematycznymi. Dzięki temu naukowiec opracował oprogramowanie obliczeniowe o nazwie TreeMaker (do pobrania z jego strony: www. langorigami.com), które pozwala użytkownikom generować wzory zagięć, a co za tym idzie – umożliwia stworzenie origami o żądanym kształcie. Za badaniami Langa kryje się jednak coś więcej niż tylko miłość do papierowych figurek...

Origami w kosmosie

Mniej więcej 20 lat temu badacze z Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii rozpoczęli pracę nad projektem Eyeglass, którego celem było wyniesienie w przestrzeń kosmiczną teleskopu z soczewkami o średnicy stadionu piłkarskiego. Oczywiście przy takiej średnicy długość teleskopu musiałaby wynosić kilka kilometrów. Na szczęście w kosmosie jest mnóstwo przestrzeni i tak naprawdę nie trzeba budować tuby pomiędzy soczewami. Wystarczy umieścić je na dwóch odpowiednio oddalonych od siebie orbitach ziemskich, by cieszyć się widokiem niezbadanych planet i galaktyk. Jak jednak wynieść na orbitę tak dużą soczewkę? Z pomocą przyszedł Robert Lang, który uważał, że możliwe jest złożenie soczewki na Ziemi, zapakowanie jej do rakiety i bezpieczne rozpakowanie w przestrzeni kosmicznej. Naukowiec był przekonany, że dzięki technikom origami znajdzie taki szablon zgięć dla soczewki, by ta nie utraciła przy tym swych zdolności optycznych. Intuicja go nie zawiodła i w 2002 r. przedstawił prototyp soczewki o średnicy 3 m, która po złożeniu wyglądała jak cylinder o średnicy 1,2 m. Niecałe dwa lata później w podobny sposób złożono 5-metrową soczewkę. Obliczono również, że soczewka wielkości stadionu piłkarskiego po złożeniu miałaby tylko 3 m średnicy. I na obliczeniach na razie się skończyło, gdyż zabrakło funduszy na sfinansowanie projektu.

Nie oznacza to jednak, że miłośnicy origami mają zapomnieć o kosmicznych podbojach. W 1995 r. Kōryō Miura, japoński astrofizyk, zaprojektował panele słoneczne dla satelity Space Flyer Unit, wykorzystując właśnie techniki origami. Konstrukcja przypominała trójwymiarową siatkę równoległoboków i została nazwana miura-ori, a ponieważ rozkładała się i składała jednym ruchem, zredukowało to liczbę potrzebnych do przeprowadzenia tego procesu silników, a więc także rozmiar i wagę samej konstrukcji. Nad podobnym projektem pracują obecnie naukowcy z Jet Propulsion Laboratory w Kalifornii. Zwinięty model paneli wygląda jak pączek kwiatu, który – „rozkwitając” – przeistacza się w płaską kolistą powierzchnię. Sam model jest raczej mały, tj. ma 125 cm średnicy po rozłożeniu, ale prawdziwe panele osiągną rozmiar 25 m. Atrakcyjność techniki origami w projektowaniu paneli słonecznych wynika z możliwości takiego złożenia przedmiotu, by w czasie drogi na orbitę zajmował jak najmniej przestrzeni, ale na miejscu rozwijał się do maksymalnych rozmiarów. W podobny sposób, choć w o wiele mniejszej skali, działają technologie oparte na origami, które już niedługo mogą dokonać rewolucji w medycynie.

Origami w służbie medycyny

Jednym z osiągnięć na tym polu są stenty zaprojektowane w 2003 r. przez naukowców z University of Oxford. Są to niewielkie sprężynki używane do udrożniania naczyń krwionośnych. Pierwszy prototyp wykonano ze stali nierdzewnej. Złożone mają 12 mm średnicy i są wystarczająco wąskie, by lekarz mógł je wprowadzić do żyły. Na miejscu zwiększają swoją średnicę do 23 mm i odpowiednio rozszerzają żyłę. Do ich konstrukcji użyto wzoru origami opartego na modelu zwanym bombą wodną. Obecnie badacze pracują nad wykonaniem podobnych sprężynek z użyciem materiałów biokompatybilnych.

Tymczasem naukowcy z Brigham Young University w Utah pracują nad sztucznym dyskiem kręgowym, który ma ulżyć pacjentom cierpiącym na bóle pleców spowodowane zwyrodnieniem dysku czy stenozą (progresywne zwężenie kanału kręgowego). Wymiana chorego dysku polegałaby na wprowadzeniu płaskiego urządzenia, które następnie rozszerzyłoby się i wypełniło przestrzeń naturalnego krążka międzykręgowego. Po rozwinięciu dysk wygląda jak dwie naciskające na siebie kopuły. Mogą one się poruszać względem siebie jak łożysko ślizgowe, zapewniając amortyzację i ruchomość kręgosłupa.

Kolejny projekt wygląda jak gadżet z filmów science fiction i został przedstawiony w 2015 r. przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology. Jest to mierzący 1 cm i ważący 0,31 g plastikowy robot origami, który umie pływać, wspinać się, przemierzać nierówny teren i przenosić ładunek dwukrotnie większy od jego ciężaru. Co więcej, robot sam składa się pod wpływem ciepła, a po wykonaniu zadania ulega degradacji tak, jakby go nigdy nie było. Przedstawiony prototyp rozpuszcza się po prostu w acetonie. Badacze twierdzą, że możliwe jest zbudowanie podobnego urządzenia z materiału rozpuszczalnego np. w wodzie. Oprócz korpusu robot posiada malutki magnes. Pozwala to na sterowanie nim za pomocą pola elektromagnetycznego. Twórcy robota uważają, że może on być w przyszłości użyty jako kapsuła z lekiem, która po jego dostarczeniu do wybranego rejonu naszego ciała zostałaby rozpuszczona i naturalnie z niego wydalona. Robota w akcji można podziwiać tutaj www. youtube.com/watch? v=ZVYz7g-qLjs.

Sztuka składania papieru... elektronicznego

Origami podbija nie tylko świat astronomii i medycyny. Pełną parą wkracza również w świat elektroniki. Naukowcy z Arizona State University stworzyli w 2013 r. baterię litowo-jonową, którą następnie złożyli, wykorzystując wspomniany wcześniej wzór miura-ori. Zmniejszyli w ten sposób jej powierzchnię 25 razy, zwiększając przy tym jej gęstość energii 14-krotnie. Oczywiście nie chodzi tutaj o typową baterię litowo-jonową, która zawiera zbyt dużo sztywnych i twardych elementów. Ta bateria zrobiona jest ze specjalnego papieru pokrytego nanorurkami węglowymi (CNT). Proszki tlenku tytanu litu (LTO) i tlenku kobaltu litu (LCO) – standardowe elektrody litowe – są umieszczone pomiędzy dwoma arkuszami nasyconego CNT papieru. Cienkie folie miedziane i aluminiowe ulokowane nad i pod arkuszami papieru uzupełniają baterię. Mimo dość skomplikowanej budowy bateria jest bardzo cienka i nadal może być zginana jak typowy papier. Obecnie naukowcy przyglądają się innym wzorom origami, by jeszcze bardziej zwiększyć gęstość energii urządzenia. Wynalazek może być bardzo przydatny do zasilania różnego rodzaju składanych gadżetów, np. papieru elektronicznego, który można by złożyć jak zwykłą kartkę i schować do kieszeni, gdy jest niepotrzebny.

Origami na froncie i na wybiegu

Ze sztuki składania papieru korzystają także policja i wojsko. Naukowcy z Brigham Young University stworzyli w 2017 r. rozkładaną kuloodporną tarczę dla policji. Do jej budowy użyli kevlaru (stosowanego m.in. w kamizelkach kuloodpornych). W porównaniu ze zwykłą tarczą jest ona mniej więcej dwa razy lżejsza, a jej rozłożenie trwa 5 s. Jest też na tyle duża, że może chronić więcej niż jedną osobę, i to także z boku, a nie tylko od frontu. Z kolei badacze z University of Notre Dame przedstawili w 2015 r. składany schron dla żołnierzy. Ma on poprawić komfort ich życia i lepiej chronić przed upałami i mrozem niż tradycyjny namiot. Złożony namiot może być transportowany ciężarówką lub samolotem, a jego rozstawienie zajmuje niecałą godzinę. Na podobny pomysł wpadła w 2013 r. Tina Hovsepian, projektantka z Los Angeles. Jej schronienie dla bezdomnych nie jest oczywiście tak solidne jak zaprojektowane dla wojska, ale rozkłada się w minutę i waży niecałe 5 kg. Jest przy tym wodo- i ognioodporne i ma służyć jako przejściowe lokum do czasu znalezienia stałego domu.

Origami śmiało poczyna sobie również w świecie mody. Japoński projektant Issey Miyake od 2010 r. inspiruje się tą starożytną sztuką. Na jego kreacjach znajdują się liczne zgięcia, które pełnią nie tylko funkcję ozdobną, ale także pozwalają na płynne złożenie i rozłożenie odzieży. Ciekawe jest także to, że na półce w szafie ubranie przyjmuje formę koła, kwadratu, trój-, pięcio-, sześcio- lub nawet ośmiokąta! Bardzo popularne są także torebki damskie Miyake, które można jednym ruchem przekształcić z dużej shopperki w stylową kopertówkę. Na podobnej zasadzie tworzy się obecnie torby na zakupy, mapy, puszki na napoje, a nawet meble. Andrea Kordos i Tony Round, małżeństwo architektów z Toronto, zaprojektowali w 2014 r. fotel, który po złożeniu jest niemalże płaski i można go oprzeć pod ścianą lub schować pod kanapą. Rozwiązania takie jak to są oczywistą odpowiedzią na problem umeblowania małych mieszkań, w których wolna przestrzeń jest prawdziwym luksusem.

Astronomia, medycyna, elektronika, architektura, militaria i moda – origami śmiało wkracza we wszystkie dziedziny naszego życia. Być może już niedługo będziemy dzięki niemu mogli nie tylko oglądać planety, o których istnieniu jeszcze nie mamy pojęcia, ale także stworzyć gadżety, o których marzyli autorzy powieści SF, lub opracować kuracje mogące ocalić nam życie.

Justyna Jońca
Institut National Polytechnique de Toulouse, Francja
Zajmuje się opracowywaniem nowych nanomateriałów

***

DNA origami

Nanoroboty, które potrafiłyby dostarczyć lek do wybranych komórek naszego ciała, są marzeniem naukowców od lat. Wśród wielu projektów miniaturowych lekarzy na uwagę zasługuje nanorobot przedstawiony w 2014 r. przez naukowców z Chin. Składa się on z pojemnika na lek, receptora komórek rakowych i znacznika fluorescencyjnego. Sam pojemnik zbudowany jest z nici DNA przy użyciu metody zwanej DNA origami. Polega ona na odpowiednio zaprogramowanym składaniu łańcuchów kwasu deoksyrybonukleinowego w trójwymiarowe struktury. Uzbrojone w lek pojemniki zostały wstrzyknięte chorym na raka myszom. Dzięki receptorom dotarły one w chorobowo zmienione miejsce, gdzie uległy rozpadowi i uwolniły lek. Znacznik fluorescencyjny pozwolił śledzić poczynania nanorobotów i potwierdził, że gromadzą się one głównie w okolicach zmian nowotworowych. Leczone w ten sposób myszy miały mniejsze zmiany nowotworowe niż te poddane tradycyjnej terapii.

***

Robot, który składa origami

Szwedzko-szwajcarska firma ABB należy do czołówki przedsiębiorstw zajmujących się produkcją robotów. Lubi przy tym zaskakiwać potencjalnych klientów i pokazuje swoje urządzenia w oryginalnych sytuacjach. Tak też było w przypadku stworzonego w 2015 r. robota YuMi, który został zaprogramowany do składania papierowych samolotów (co można zobaczyć tutaj www.youtube.com/watch? v=KWmTX9QotGk). YuMi potrafi także władać mieczem samurajskim, ułożyć kostkę Rubika, usmażyć naleśnik i zrobić drinka.

***

Kirigami i mosty

Niezależnie od tego, czy są to powodzie, trzęsienia, czy osunięcia ziemi, klęski żywiołowe mają paskudny zwyczaj odcinania ocalałych od pomocy poprzez niszczenie mostów. Badacze z Hiroshima University stworzyli w 2015 r. przenośny składany most, wykorzystując do tego techniki kirigami (odmianę origami, w której dozwolone jest użycie nożyczek). Nieużywany most jest ściśnięty jak akordeon i może być holowany na przyczepie. Do jego rozłożenia wykorzystuje się ruch typu nożycowego, a części pokładu mostu przesuwają się tak, aby stworzyć platformę dla pojazdów.

01.05.2018 Numer 5/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną