Các nhà nghiên cứu đã vận dụng các loại hình gấp giấy Origami để giải quyết nhiều vấn đề bao gồm công tác cứu hộ, sáng chế khoa học cũng như cấy ghép, chỉnh sửa cơ cấu xương.
Từ Origami đến robot cứu hộ
Bão tố, động đất và các vụ nổ thường bẫy những nạn nhân bị choáng váng và thương tích nằm bên dưới các tòa nhà sụp đổ và những đống đổ nát khác.
Các lực lượng cứu hộ có thể gặp khó khăn khi đến những hiện trường ngổn ngang đó để tìm kiếm những người còn sống sót. Chúng có thể là những không gian quá nhỏ để phát hiện các nạn nhân, nhưng lại không quá nhỏ đối với một số robot.
Các robot giải cứu phải rất nhỏ. Chúng sẽ hữu ích nếu có thể thu lại hoặc uốn cong để đi xuyên qua các vết nứt nhỏ và kẽ nứt. Trong thực tế, những robot như vậy phải được nghiên cứu chế tạo từ các sinh vật sống, chẳng hạn như những con gián.
Cách đây vài năm, có hai nhà nghiên cứu đã phát triển một robot gián. Con robot này có thể đi xuyên qua những không gian nhỏ bé.
Tên nó là CRAM, viết tắt của nhóm từ “robot chịu nén với các cơ cấu khớp nối”, nghĩa là các khớp của nó có thể uốn cong được.
Kaushik Jayaram là người đồng sáng chế con robot trong khi còn là sinh viên tại Đại học California, Berkeley.
Hiện nay anh làm việc tại Cambridge, Massachusetts, thuộc Viện Wyss, Đại học Harvard về ngành Kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học.
Thế giới côn trùng đã truyền cảm hứng cho thiết kế của anh, kể cả nghệ thuật gấp giấy Origami và toán học.
Trong các mẫu thiết kế lấy cảm hứng từ côn trùng, các nhà khoa học đã vận dụng toán học. Jayaram nói: “Chúng tôi kết hợp vật lý và toán học để hình dung ra việc các robot cần làm”.
- Xem thêm: Nghệ thuật xếp giấy Origami
Trọng lực, lực ma sát và các loại lực khác có thể làm chậm lại hoặc hạn chế chuyển động của robot. Các thiết bị điều khiển bằng máy tính phải sử dụng năng lượng để vượt qua các lực cản đó.
Jayaram áp dụng toán đại số để tính toán lực tác dụng lên robot của mình cũng như những robot phải cần bao nhiêu năng lượng để thực hiện nhiệm vụ của chúng.
Với CRAM, Jayaram đã sử dụng một loại phép tính thứ hai là hình học để tìm ra phạm vi chuyển động mà mỗi khớp của robot sẽ cần có. Điều này cho phép anh giúp robot thực hiện một chuyển động gọi là bò trườn.
“Chúng tôi có thể cho con robot chia tách ra”, anh giải thích. “Việc chia tách giúp các robot có thể di chuyển qua các không gian thật nhỏ”. Jayaram chỉ là một trong số nhiều nhà nghiên cứu đang kết hợp các kỹ thuật toán học Origami để tạo ra các sản phẩm thông minh mới.
Những quy tắc của Origami
Khi nghe nói đến từ “Origami”, đa số mọi người thường hình dung ra những thiết kế được làm từ một tờ giấy vuông đơn giản. Có thể đó là một chiếc hộp giản dị, một cần cẩu bằng giấy hoặc là một con rồng tạo hình công phu.
Việc cắt xén thường không được cho phép. Vì vậy, việc mở ra một trong những mẫu thiết kế này sẽ trả lại cho hình gấp hình ảnh tờ giấy ban đầu của nó.
Nhưng một số loại Origami có thể phá vỡ một hoặc cả hai trong các quy tắc gấp nếp đối với những tờ giấy đơn giản không cắt xén.
Nghệ nhân Origami Robert Lang bắt đầu gấp giấy Origami khi ông mới lên 6 tuổi. Lúc đầu, ông đã sao chép các mẫu tìm thấy trong những quyển sách. Năm 10 tuổi, ông đã tạo ra những mẫu thiết kế độc đáo.
Nhưng nghệ thuật này không phải là nghề nghiệp đầu tiên của Lang. Là nhà vật lý và kỹ sư, ông phụ trách nghiên cứu tia laser tại Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực của NASA ở Pasadena, California.
Sự nghiệp của ông bắt đầu biến đổi nhanh sau khi ông quyết định viết một quyển sách về Origami. Nó đem lại động lực để Lang rời bỏ công việc của mình. Ông nghĩ ông có thể trở lại làm việc khi quyển sách đã được hoàn thành.
Nhưng “làm việc với Origami thật sự rất vui”, ông kể. Đồng thời sự tự chủ cho phép ông và các nhà khoa học khác cùng nghiên cứu Origami với nhau.
Ngày nay Lang giúp thiết kế mọi thứ, từ những tấm năng lượng mặt trời cho không gian bên ngoài, cho đến những cấy ghép y khoa cho các bệnh nhân, và kiểu gấp lấy ý từ Origami chính là cơ sở của quá trình này.
Có nhiều cách tiếp cận Origami khác nhau. Chẳng hạn như kiểu bộ phận lắp ráp rời. Ở đây, các nghệ nhân sử dụng nhiều tờ giấy để tạo ra các thiết kế phức tạp.
Mỗi tờ riêng lẻ được xếp thành một tổng thể, hoặc đơn vị. Các đơn vị này sau đó được gấp lại với nhau để tạo ra một thiết kế lớn hơn.
Trong một kiểu khác, các nghệ nhân kết hợp cắt và gấp để tạo ra thiết kế của họ. Biến thể này có tên là “Kirigami”.
“Đa số mọi người thường xem Origami và Kirigami là hai hình thức gấp giấy khác nhau”, ông Lang lưu ý. “Thật ra, Origami chủ yếu là gấp giấy, cùng lắm thì có thêm một vài vết cắt, nhưng không có phần giấy nào bị bỏ đi cả. Còn Kirigami sử dụng nhiều vết cắt và đôi khi có những phần giấy thực sự bị cắt bỏ đi hẳn”.
Ông Lang cũng cho biết người ta thường tưởng rằng các nghệ nhân Origami không sử dụng keo dán. Đây là cách hiểu sai. Chẳng hạn như nghệ nhân bậc thầy Akira Yoshizawa đã sử dụng keo để làm cứng giấy hoặc để giữ các chi tiết lại với nhau.
Origami truyền cảm hứng cho việc chữa xương
Gulden Camci-Unal là một kỹ sư hóa học làm việc tại Đại học Massachusetts ở Lowell. Camci-Unal phụ trách phát triển vật liệu sinh học. Một ngày nào đó, những thứ cô tạo ra có thể được sử dụng để sửa chữa hoặc thậm chí để tái tạo xương, cơ tim, mạch máu, da và hơn thế nữa.
Đối với việc nghiên cứu xương của mình, cô phát triển các tế bào được gọi là osteoblasts trên giấy gấp Origami.
Khi chúng phát triển, những tế bào xương này hình thành những khoáng chất phủ lên bề mặt giấy. Cô hy vọng sẽ sử dụng những kết hợp tế bào và giấy này dưới dạng cấy ghép.
Cuộc nghiên cứu của cô cho thấy rằng những vật cấy ghép có vẻ như không bị hệ miễn nhiễm trong cơ thể từ chối. Cũng vậy, còn có thêm nhiều công việc phải làm trước khi chúng sẵn sàng để trợ giúp cho các bệnh nhân.
Gần đây, Camci-Unal đã tập trung vào việc chế tạo một chi tiết bằng giấy giúp cho bộ phận cấy ghép ổn định hơn.
Cô đã nghiên cứu những tình huống khác nhau trong trường hợp giấy có thể bị phân hủy trong cơ thể khi phần xương của bộ phận cấy được đặt vào vị trí.
Trong tương lai, những bộ phận cấy ghép như vậy có thể được sử dụng để giúp cho những người bị thương tích.
Các bộ phận được trồng trong phòng thí nghiệm có thể sửa chữa hoặc thay thế cho các vùng xương bị tổn thương. Chúng cũng trợ giúp cho những người có cấu tạo xương phát triển không bình thường.
- Xem thêm: Trong nửa kỳ quái của trái đất
Camci-Unal giải thích: “Cách tiếp cận này có thể hữu ích cho những bệnh nhân bị khuyết tật xương, chẳng hạn như kích thước và hình dạng bất thường”. Cô sử dụng toán học để đánh giá các đặc điểm nhất định từ các vật liệu của cô.
Ví dụ: cô có thể tính toán những bộ xương trồng trong phòng thí nghiệm này bền chắc đến mức nào. Đồng thời cô có thể tính toán mức độ phân hủy của chúng nhanh ra sao.
“Hồi còn nhỏ, tôi thích học toán”, Camci-Unal nhớ lại. “Tôi học toán rất giỏi, tôi cho rằng toán rất dễ học và rất vui”.
Cô cũng thích gấp những sản phẩm origami và cảm thấy ngạc nhiên vì “giấy, một vật liệu rất đơn giản, lại có thể tạo thành những cấu trúc linh hoạt và phức tạp như vậy”.
Từ những con gián robot của Jayaram cho đến những kết hợp giữa giấy và xương của Camci-Unal, các nghiên cứu lấy cảm hứng từ Origami hiện vẫn đang thúc đẩy những đổi mới ly kỳ.
