Космическое оригами
Текст: Екатерина Хворова | 2017-07-20 | 142
Секреты мастеров оригами – достаточно нехитрого, на первый взгляд, искусства по складыванию фигурок из бумаги – неожиданно оказались востребованными в самых технологичных отраслях промышленности. Результатом этого стало решение серьёзных проблем, сдерживавших развитие медицины, космонавтики, инженерии, робототехники. При этом количество идей, реализованных благодаря искусству оригами, в ближайшем будущем, скорее всего, будет только расти.

Но обо всём по порядку. История оригами насчитывает уже более тысячи лет. По всей видимости, истоки этого искусства лежат в Древнем Китае, где, собственно, и была изобретена бумага. Но наибольшее развитие оно получило в Японии, став неотъемлемой частью культуры этой страны. Тем не менее, независимые традиции создания бумажных фигурок, пусть и не столь развитые, складывались и в других странах, например, в том же Китае, Корее, Германии и Испании. Достаточно долгое время владение техникой оригами считалось признаком хорошего тона у представителей высших сословий – бумага тогда была дорогим товаром, поэтому умение создавать из неё необычные фигурки выдавало в мастере его принадлежность к обеспеченным и влиятельным людям. Кроме того, оригами часто использовалось в религиозных обрядах и всевозможных церемониях.

Большой прорыв в развитии оригами в начале XIX века совершает немецкий педагог и теоретик дошкольного образования Фридрих Фрёбель, предложив это занятие в качестве обучающего в детских садах для развития детской моторики. Но самым заметным шагом в популяризации этого искусства и его распространения по всему миру становится создание в середине XX века японским мастером Акирой Ёсидзавой «азбуки оригами» – единой системы универсальных знаков, позволившей записывать схемы создания любых фигур и быстрее передавать опыт мастеров начинающим

Классическое оригами предписывает использование одного листа бумаги без применения клея и ножниц. Однако со временем появилось и достаточно много альтернативных направлений: например, в киригами лист бумаги можно разрезать, а в модульном оригами вначале собираются отдельные фрагменты, соединяемые потом в композицию, которая может быть практически любого размера.

Одним из самых выдающихся мастеров оригами считается француз Эрик Жуазель.

Одним из самых выдающихся мастеров оригами считается француз Эрик Жуазель. Он специализировался на так называемом «методе влажного складывания» и все свои изящные скульптуры создавал исключительно с помощью бумаги и воды, не прибегая ни к клею, ни к ножницам. Работы Жуазеля находятся в частных коллекциях, а также выставляются в музеях, в том числе в Лувре. Цены на его фигурки достигают десятков тысяч долларов.
На фото: созданный Жуазелем «Оркестр гномов».  

Знание техники складывания оригами помогает создавать компактные вещи и складные конструкции, поэтому тот момент, когда инженеры и изобретатели обратят на древнее восточное искусство своё внимание, был лишь вопросом времени. Считается, что одним из первых, кто, вероятно, сделал это, был Карл Эльзенер. В 1891 году, ориентируясь на один из главных принципов оригами – размещение большого в малом – он придумал простую и практичную конструкцию складного ножа, внутри которого прятались лезвие, шило, консервный нож и отвёртка. Этот нож был взят на вооружение швейцарской армией и получил соответствующее название.

Сегодня примеров использования элементов оригами в промышленности достаточно много. Самый простой из них – это всевозможные картонные упаковочные коробки. Зачастую они создаются из нескольких элементов и скрепляются клеем или скобами. Стоимость коробок невысока, однако с учётом того, в каком объёме они используются, экономия даже на одной скрепке или секунде сборки в конечном счёте выливается в гигантские цифры. Поэтому компании, занимающиеся производством упаковки или её использованием в больших объёмах, вкладывают немалые средства в её совершенствование. К примеру, лапша быстрого приготовления обычно продаётся в контейнерах, изготовленных из склеенных вместе трёх-четырёх листов бумаги. Однако мастер оригами Toмоко Фусэ не так давно получил в США патент на изобретённый им метод сворачивания бумаги в цилиндр, имеющий дно – из одного листа и без применения склеивающих или скрепляющих материалов. А студенты-дизайнеры Генри Ван и Крис Курро из Инженерной школы Альберта Неркена модифицировали выкройку обычной картонной коробки. Их коробка собирается без использования клея, на её создание уходит на 15-20% меньше картона, а процесс сборки занимает в несколько раз меньше времени по сравнению с обычной тарой.

Самой известной и распространённой инженерной находкой оригами стала схема Миура-ори. Японский астрофизик Корё Миура придумал её в 1970 году, предложив использовать схему складывания, основанную на принципах жёсткого оригами, где складки рассматриваются как петли, соединяющие две плоские твёрдые поверхности. В отличие от обычных методов, складки в схеме Миура-ори расположены не чётко вертикально и горизонтально, а наклонены друг к другу под углами 84 и 96 градусов. Материал, сложенный по данной модели, очень легко разворачивается – для этого нужно всего лишь потянуть за два противоположных угла конструкции. Толщина сложенной модели Миура-ори зависит только от толщины используемого материала. Вначале модель использовалась для складывания больших бумажных документов и карт местности. Сложенная таким образом карта представляет собой плоскую фигуру. Отсутствие многослойных складок уменьшает нагрузку на бумагу и позволяет свернуть или развернуть её одним движением. Настоящий прорыв для Миура-ори происходит в 1995 году, когда это изобретение используется для разворачивания в космосе солнечных батарей японского спутника Space Flight Unit. Метод профессора Миура значительно упростил конструкцию и позволил сократить количество двигателей, необходимых для раскладывания фотоэлементов в космосе. Впоследствии эта конструкция использовалась и в японском телескопе JamesWebb. Деталь была сложена втрое в компактную структуру, а в космосе разворачивалась в двух местах.

Демонстрация метода Миура-ори и географическая карта, сложенная по этой схеме.  

Предложенная схема положила начало целому разделу в инженерном применении жёсткого оригами. С 2005 года в Японии начали создаваться различные целевые группы по применению методов оригами в практических целях, в промышленности. Одни занимались поиском оптимального решения для складывания всевозможных жёстких устройств с шарнирным соединением. Другие рассматривали возможность использования техники оригами в конструкции автомобиля, корпус которого более устойчив к разрушению в момент аварии, но в то же время может разрушаться определённым заданным образом, нанося меньше повреждений пассажирам. Третьи анализировали возможность применения принципов жёсткого оригами для космического корабля, использующего в качестве движителя солнечный или электрический парус. Такие космические паруса должны иметь большую площадь, а значит необходимо отработать дешёвую, но надёжную схему их транспортировки с Земли. Успешное развёртывание в космосе первого в мире солнечного паруса, сложенного с использованием принципов оригами, впервые произошло в 2004 году, а в 2010 году японский аппарат IKAROS впервые использовал космический парус в качестве двигателя. Аппарат был оснащён более совершенной моделью солнечного паруса – мембраной площадью 196 квадратных метра (14 на 14 метров) и толщиной несколько микрометров. Благодаря тому, что при сворачивании использовалась техника оригами, мембрана успешно развернулась без каких-либо повреждений. Правда, сам процесс занял почти неделю.

Лабораторное тестирование схемы укладки солнечных батарей, разрабатываемой при поддержке NASA, и иллюстрация их раскрытия после вывода системы на орбиту.  

Используется oригами и при поиске оптимальной конфигурации конструкции и моделировании её поведения под действием различных нагрузок. Так, японская корпорация «Тоё Сэйкан Кайся», крупнейший производитель тары для напитков и консервированных продуктов, использует технологию оригами в производстве жестяных банок. Специальное тиснение позволяет придать их стенкам дополнительную прочность и тем самым сделать стенки тоньше и дешевле. В то же время, после того как банка открыта и выпита, смять её становится легче, чем обычную. А значит занимать места в мусоре она будет меньше.

Преимущества, которые могут дать оригами-технологии, быстро осознали и в Штатах. Как результат, в 2012 году на изучение оригами Национальным научным фондом США было выделено 16 млн долларов. И именно в Америке была создана одна из наиболее продвинутых специализированных компьютерных программ для оригами TreeMaker. Её разработал американский физик, эксперт по полупроводниковым лазерам и оптоэлектронике Роберт Лэнг, с детства увлекавшийся оригами. Используя математические выкладки, учёный вывел закономерность создания моделей оригами и сформировал универсальный подход к решению задач с ними, который и положил в основу программы. Она позволяет создать упрощённый «скелет» конструкции, затем детализирует его и формирует развёртку сгибов. Развёртка является базовой основой будущей формы, точные контуры и детали которой подбираются отдельно. Например, программа покажет основу для формирования рогов бумажного жука, но их ширину и направление нужно подбирать самостоятельно. После того, как учёный понял, что оригами может использоваться для решения множества практических задач, он оставил работу в Силиконовой долине, полностью посвятив своё время практической стороне этого искусства.

Один из проектов, в которых Лэнг принимает участие, разворачивается в Ливерморской национальной лаборатории им. Э.Лоуренса. Речь идёт о разработке телескопа «Окуляр». Он должен находиться в 42 км от Земли и иметь диаметр главной линзы не менее ста метров. Роберт Лэнг разработал складную систему «зонтик», разделив линзу на плоские кольца. Для транспортировки кольца складываются в компактный цилиндр, а по прибытии раскладываются до нужного размера. В результате компонент прозрачной линзы уменьшается со ста до трёх метров. Система основана на принципах оригами и будет применяться в телескопах следующего поколения. Предварительные испытания на линзе диаметром пять метров прошли успешно. Кроме того, в 2018 году предполагается запуск новой мощной обсерватории – телескопа имени Джеймса Уэбба, который заменит устаревший «Хаббл». Диаметр зеркала в новом телескопе составит 6,5 метров (у Хаббла – 2,4), а складываться он будет из трёх компонентов.

Также учёный был задействован в разработке оптимальной модели складывания подушки безопасности в автомобиле. Как известно, подушка должна быть достаточно большой, чтобы защитить пассажиров, и при этом мгновенно раскрываться в момент удара. А скорость раскрытия напрямую зависит от того, каким образом подушка сложена – по аналогии с правильным складыванием парашюта. Алгоритмы для оригами позволили найти самое оптимальное решение.

Техники оригами позволяют хорошо справляться с задачами, в которых что-то большое нужно уместить в малом объёме. Один из наиболее ярких примеров – подушки безопасности.  

Аналогично были решены проблемы размещения большого в малом в медицине. Основная задача, которую позволяет решить оригами, связана с тем, что предмет при транспортировке должен занимать мало места, а потом принимать определённую форму и в несколько раз увеличиваться в объёме. Пример такой задачи из области медицины – это размещение внутри суженного участка органа стента, своеобразной полой трубки, искусственно расширяющей артерию, пищевод или другой орган. Сердечный стент вводится через вену, а достигнув нужного места (коронарной артерии), «разворачивается», чтобы поддержать стенки сосуда и обеспечить нормальное движение крови. Стентирование позволяет избежать серьёзных последствий инфаркта. Для проведения такой операции необходимо, чтобы стент при транспортировке по венам занимал как можно меньший объём, а после установки разворачивался до нужных размеров. Складной вариант стента представили в 2003 году сотрудники Оксфордского университета: Зонг Ю и Каори Курибаяши. Стент складывается по шаблону оригами, основанному на модели, называемой «водная бомбочка», которую умеют складывать даже дети.

Cтент, разработанный в 2003 году сотрудниками Оксфордского университета Зонгом Ю и Каори Курибаяши. В сложенном состоянии стент занимает минимальный объём и легко проходит по артерии. Достигнув нужного места, он раскладывается до рабочего состояния.  

Удивительно, но принципы оригами можно применять не только к осязаемым вещам, но и к нематериальным объектам. Например, таким образом учёные пытаются манипулировать формой траектории луча. Так называемое «оптическое оригами» было разработано инженерами Калифорнийского университета Сан-Диего с целью найти новый способ уменьшения размеров оптических систем. Исследователи взяли небольшой диск (прозрачный кристалл фторида кальция) и проделали в нём концентрические отверстия. Свет попадает в систему через внешнее кольцо. К диску применена «алмазная огранка», а также задействуется набор отражателей, которые искусственно увеличивают оптический путь. В центре «линзы-оригами» расположен светочувствительный датчик, на который свет попадает после многократных отражений. Новая оптическая система способна заменить громоздкие комплекты линз, уменьшив исходную оптическую конструкцию приблизительно в семь раз. После устранения учёными единственного недостатка нового объектива – маленькой глубины резкости из-за расположения апертуры вдоль края линзы, новая оптика найдёт широкое применение.

Одна из перспективных разработок на базе оригами – протезы межпозвоночных дисков, которые вставляются в разрез, после чего расширяются, превращаясь в две закруглённые конструкции, качающиеся друг на друге и имитирующие работу здорового диска.  

Новые возможности откроет человечеству и ДНК-оригами. В 2006 году американский биолог Пол Ротемунд из Калифорнийского технологического института представил своё открытие, связанное с молекулярным программированием. Учёный нашёл способ придать молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) определённую форму. Для этого используется свойство азотистых оснований образовывать пары определённых типов с помощью водородных связей при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот. В качестве скрепляющих агентов Ротемунд использовал короткие синтетические ДНК-нити, конфигурация которых была рассчитана с помощью компьютерной программы, а затем синтезирована в лаборатории. Ему удалось прикрепить синтетические ДНК-нити в запрограммированных местах, а потом стянуть основную ДНК в нужную форму. Для демонстрации учёный использовал модели, сложенные из нитей ДНК в буквы, известные фигуры и даже смайлики. Такое моделирование может использоваться при разработке наноустройств. В том же институте при использовании техники ДНК-оригами был создан функционирующий переключатель (транзистор). Он в десять раз меньше аналогичных элементов, используемых в современных электронных устройствах. В перспективе можно будет создать целый компьютер из ДНК-элементов или даже скомбинированные из живых и искусственных объектов системы. Процесс сборки запрограммированных молекулярных форм происходит самостоятельно, на основе принципов формирования двойной спирали ДНК.

В течение нескольких лет метод ДНК-оригами совершенствовался, учёные отрабатывали его на различных трёхмерных объектах – коробках, шестерёнках и прочих вещах. Так появился экспериментальный маленький кувшин объёмом всего 800 тысяч молекул воды. Эта технология позволит создать носители для точной транспортировки лекарства в нужную часть органа, что повысит эффективность лекарств и снизит неблагоприятные побочные эффекты.

Полицейский бронированный щит, выполненный в технике Миура-ори. Очень компактен в сложенном состоянии, высокомобилен, раскладывается за несколько секунд и прекрасно выполняет свою основную функцию – защиту от пуль. Может укрыть за собой до трёх человек одновременно. Разработан командой учёных из частного американского Университета имени Бригама Янга.  

И это лишь только некоторые из направлений, где сегодня начинают активно использоваться оригами-технологии. Многие из них имеют чисто бытовое назначение (например, обувь, состоящая из одного элемента и сшивающаяся всего одним швом), другие призваны решать какие-то социальные проблемы (складные оригами-палатки для бездомных), третьи позволяют сказать новое слово дизайнерам интерьеров или одежды (платье-оригами). Так что простое увлечение фигурками из бумаги сегодня может стать очень и очень перспективным занятием.