19.02.2020
PL EN
20.12.2019 aktualizacja 20.12.2019
Marek Matacz
Marek Matacz

Genialne wynalazki dzięki origami

Fot. Adobe Stock Fot. Adobe Stock

Japońska sztuka pracy z papierem pomaga inżynierom tworzyć niezwykłe konstrukcje. Dzięki niej powstają np. nietypowe roboty, kosmiczne panele słoneczne czy lepsze narzędzia chirurgiczne.

Przed kilkoma dniami naukowcy z North Carolina State University przedstawili prostego, lecz niezwykłego robota. Wygląda trochę jak dwa połączone z sobą paski pozginanego w różnych miejscach papieru. Mimo, że robot zbudowany jest z zupełnie innego materiału, to podobieństwo nie jest przypadkowe. Otóż badaczy zainspirowało kirigami - podobna do origami sztuka wytwarzania różnych papierowych przedmiotów, jednak dopuszczająca cięcia. Z jej pomocą powstało urządzenie, które z dwuwymiarowej formy przybiera z góry zaprogramowaną, trójwymiarową strukturę, w odpowiedzi na ciepło. Konstrukcja potrafi chwytać niewielkie przedmioty. Inny z kolei, prosty czworonożny robot, dzięki podobnej reakcji zmienia kierunek swojego ruchu.

Zamiast papieru, w swoich konstrukcjach badacze wykorzystali trzywarstwowy materiał, z których środkowa warstwa reaguje na temperaturę. Z pomocą cięć i wytrawień w zewnętrznych warstwach, naukowcy określili, jak cała konstrukcja ma się zwijać. Jak wyjaśniają, małe zmiany w tym systemie pozwalają na uzyskiwanie różnorodnych kształtów. Zamiast temperatury, przy użyciu innych materiałów, wykorzystać przy tym można różne bodźce obecne w środowisku, na przykład światło.

Inny zespół - z Harvard John A. Paulson School of Engineering - pokazał natomiast innego robota, który powstał z wykorzystaniem tej samej, japońskiej techniki. Tym razem dodatkowo inspirowany był budową węża. Zewnętrzna jego warstwa rytmicznie się rozciąga i kurczy. W tym samym czasie powstają na niej i chowają się struktury przypominające łuski. W ten sposób elektroniczny wąż pełznie po podłożu.

„W ostatnich latach prowadzonych było wiele badań nad tym, jak stworzyć tego rodzaju zmiennokształtne, rozciągliwe struktury. Pokazaliśmy, że do budowy miękkich robotów można wykorzystać zasady kirigami. Dzięki temu, można uzyskać ruch, który jest prostszy, szybszy i tańszy, niż w wielu wcześniejszych technikach” - mówi twórca „węża”, dr Ahmad Rafsanjan. „Wierzymy, że nasza, oparta na kirigami strategia otwiera nowe drogi do prac nad nową klasą miękkich robotów pełzających. Te poruszające się po dowolnym terenie roboty mogą pewnego dnia przemieszczać się w różnych trudnych środowiskach, aby je badać, prowadzić inspekcje, monitoring czy uczestniczyć w poszukiwaniach i ratowaniu ludzi. Mogłyby też wykonywać skomplikowane procedury medyczne” - dodaje współautorka projektu prof. Katia Bertoldi.

Niekoniecznie mowa tutaj o trudnej do określenia przyszłości. Naukowcy z Brigham Young University pracują już nad zaawansowanymi chirurgicznymi narzędziami inspirowanymi origami. W ten sposób chcą stworzyć narzędzia dużo mniejsze niż używane dzisiaj. Oznaczałoby to mniejsze nacięcia w ciele i szybszy powrót do zdrowia. Jak podkreślają, obecne podejścia nie pozwalają już na dalszą redukcję rozmiarów. „Nowe, niewielkie instrumenty umożliwią prowadzenie całego zakresu nowego typu zabiegów, nawet pozwalających na manipulowanie pojedynczymi nerwami. Pomysły oparte na sztuce origami naprawdę pozwalają nam znaleźć sposoby na ciągłe zmniejszanie i upraszczanie narzędzi” - mówi jeden z badaczy, prof. Spencer Magleby. Naukowcy współpracują m.in. z firmą produkującą słynnego chirurgicznego robota da Vinci.

Tymczasem niektóre dziedziny, aż się proszą, aby wykorzystać w nich znane od dawna techniki składania papieru. W NASA powstał np. projekt paneli słonecznych, w którym posłużono się techniką origami. Ogniwa Hannaflex można byłoby złożyć do miniaturowych rozmiarów, tak aby zmieściły się w rakiecie, a na orbicie w prosty sposób rozłożyłyby się do ogromnej powierzchni. Inny pomysł to Starshade - wielkością przypominająca futbolowe boisko przesłona, która miałaby odcinać światło gwiazd w obserwacjach pozasłonecznych planet prowadzonych przez kosmiczny teleskop.

Niektóre wynalazki mogą tymczasem już niedługo znaleźć się w naszym otoczeniu. Na przykład na Politechnice Federalnej w Lozannie powstał niedawno odporny na zderzenia dron. Amortyzujący system inspirowany jest skrzydłami owadów i oparty na wykorzystaniu zasad origami. Powstała w ten sposób struktura, która w czasie lotu jest na tyle sztywna, że zapewnia dronowi pełną stabilność, ale gdy w coś uderzy, staje się giętka i absorbuje energię zderzenia. Badacze umieścili sprężystą membranę między dwiema sztywnymi płytkami. Taką „kanapkę” następnie podzielili na segmenty. W normalnych warunkach struktura jest sztywna, jednak przy odpowiednio dużej sile, oddalają się od siebie, a cała struktura się zgina. Ciekawe, czy twórcy dawnej sztuki składania papieru przewidzieli, że kiedyś będzie mogła pomóc w leczeniu ludzi, budowy lepszych dronów czy w badaniach kosmosu.

 

Marek Matacz

Copyright © Fundacja PAP 2020