1 Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса » 3domen.com - сайт Сергея и Марины Бондаренко
Регистрация  Напомнить пароль?
 Отправлено SergeyMarina 13 февраля 2014   

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса Оригами — это намного больше, чем простая забава, чтобы убить время. Оно развивает воображение, заставляет думать и может подсказать решение проблемы в совершенно неожиданных областях. О том, как оригами используется в биологии, оптике, электронике и во многих других сферах, читайте в нашем материале.




Назад Вперед

Когда в 1981 году на экраны вышел фильм “Не бойся, я с тобой!”, многие мальчишки того времени увлеклись изучением боевых искусств и единоборств, подражая главным героям этой истории. Один из главных персонажей этого фильма, демонстрировал характерный элемент восточной культуры — оригами. В этом фильме, чтобы позабавить детишек, главный герой по-особенному складывал лист бумаги, превращая его после ряда хитрых действий в журавлика, машущего крыльями.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Догадаться самому, как сложить такую фигурку, очень сложно. Признаться, после просмотра этого фильма один из авторов этой статьи потратил уйму времени и перевел много тетрадных листов, безуспешно пытаясь повторить увиденное. Разгадка пришла чуть позже, когда в руки попала книга знаменитого американского популяризатора математики Мартина Гарднера под названием “Mathematical puzzles and diversions”, написанная еще в середине пятидесятых годов. Гарднер, большой любитель всевозможных математических головоломок, ребусов и курьезов, не только подсказал, как решить проблему со складыванием журавлика, но и поведал о волшебном искусстве оригами, которое уходит корнями в глубокое прошлое Японии, а также Китая, где, собственно, и была изобретена бумага.


Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Мартин Гарднер


Определение искусства оригами кроется в самом названии, которое состоит из двух частей, означающих “бумага” и “складывать”.

Изначально правила сборки бумажных фигурок были строгими. “Правильными” работами считались только те, которые выполнены из единого листа, в котором не содержалось ни разрывов, ни разрезов. Теперь же оригами имеет множество направлений. Так, например, киригами допускает разрезание бумаги, а в модульном оригами можно создавать формы практически любого размера, соединяя отдельные фрагменты в единую композицию.

Нужно сказать, что несмотря на разнообразие стилей, большинство людей вкладывает в термин “оригами” классический смысл — “фигурка из сложенного листа бумаги”.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Одним людям оригами помогает развить образное мышление, а других наталкивает на мысль о компактных формах и трансформирующихся конструкциях. Вопреки сложившемуся убеждению, что оригами возможно исключительно с бумагой, люди с техническим складом ума создают и намного более сложные вещи.

Автор азбуки оригами

Как и в любой другой области знаний, где человек может копить опыт и оттачивать свое мастерство, в сообществе знатоков оригами имеются свои авторитеты-гроссмейстеры, а также отцы-основатели. Одним из таких “гуру” был японский мастер Акира Ёсидзава. Этот человек прожил долгую жизнь, в течение которой он изучал возможности построения бумажных форм. Ёсидзава придумал более пятидесяти тысяч самых разных моделей — от разных птиц и зверей до собственного автопортрета.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Акира Ёсидзава определил несколько основных направлений искусства складывания бумаги, но самое главное его достижение — создание азбуки оригами. Чтобы как-то запечатлеть планы сборки бумажных фигур для последователей, Ёсидзава стал использовать хорошо знакомые любителям оригами обозначения сгибов — пунктиры, прямые, стрелки с направлением свертывания бумаги и пр. С этими понятными схемами собрать любую модель может даже тот, кто не имеет опыта создания бумажных фигурок оригами. Для этого достаточно лишь следовать пояснениям в инструкции.

Просто добавь воды

Многие из моделей Ёсидзава были сделаны с удивительной реалистичностью. Ее автору удалось достичь с помощью особого метода обработки рабочего материала. Чтобы придать требуемую форму своим фигурам, Ёсидзава смачивал бумагу водой. В результате этого клеевая основа бумаги разбавляется, и управлять положением волокон проще: линии получаются более плавными, а материал становится податливее. При этом нарушается память материала, благодаря чему конечная форма получается более устойчивой, по сравнению со сборкой “сухого” оригами.

У Ёсидзава очень много последователей. Один из них, французский любитель оригами Eric Joisel, делал потрясающие работы, используя тот же прием — смачивая бумагу. Многие из его произведений смотрятся настолько правдоподобно, что даже закрадывается сомнение в том, что он использовал всего лишь бумагу. Как, например, в этом “оркестре гномов”.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Как оказалось, этой технике можно найти и другое, довольно необычное применение. В 2012 году соотечественник Эрика, студент университета искусства и дизайна в Лозанне, Christophe Guberan, используя тот же принцип мокрого оригами, продемонстрировал простую технологию Hydro-fold, позволяющую делать самособирающиеся оригами-формы.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Вы наверняка много раз видели эффект намокшей бумаги. Стоит капле жидкости попасть на ровную, гладкую поверхность, и рельеф листа тут же начинает меняться. Исходная гладкая форма поверхности будет утрачена. До конца она не восстановится даже тогда, когда жидкость полностью испарится. Это свойство бумаги и использовал Кристоф. Он немного модифицировал обычный струйный принтер, заставив его печатать особыми водными чернилами.

В графическом редакторе он создает топологическую карту линий, по которым должны быть выполнены сгибы, после чего выводит этот рисунок на печать на модифицированном принтере. Бумага, пропитанная водой в соответствующих местах, высыхая, начинает менять свою структуру, стягиваясь в местах, где легли водные чернила. В результате лист начинает самостоятельно складываться. С ходу трудно сказать, какое практическое применение можно найти для этой технологии, но результат выглядит довольно эффектно.



Роберт Лэнг: универсальное оригами

Фокусы с топологией фигурок оригами всегда привлекали внимание ученых. История знает немало примеров, когда невинная забава помогала исследователям сделать настоящее открытие или даже спасти человеческую жизнь.

Один из наиболее авторитетных экспертов в области оригами, физик по имени Роберт Лэнг (Robert J. Lang), из собственного опыта знает о пользе бумажного моделирования.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Складыванием фигурок Роберт начал увлекаться еще в детстве, когда ему было шесть лет. Маленький непоседливый мальчик никак не хотел заниматься математикой и, чтобы угомонить малыша, учитель показал ему книжку, где было показано, как из бумаги можно сделать забавных животных. Это увлечение Лэнг пронес через всю свою жизнь. Пространственное мышление, которое необходимо при сборке оригами, в определенном смысле повлияло на сферу интересов ученого — он стал опытным экспертом по полупроводниковым лазерам и оптоэлектронике.

Вначале занятие оригами помогало Лэнгу снять напряжение после основной работы. Он задумывал какой-нибудь объект, затем брал в руки лист бумаги и старался воссоздать прототип как можно точнее. Раз за разом Роберт собирал новые фигурки оригами, причем его творения становились все сложнее и реалистичнее.

Глядя на то, как умелые руки мастера оригами собирают вполне узнаваемые образы, трудно представить, что столь реалистичную модель можно было сделать всего из одного куска бумаги — без ножниц и клея.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Если вы когда-нибудь серьезно займетесь оригами, то рано или поздно у вас возникнет вопрос — а что вообще можно сделать из бумаги и где предел возможностей одного листа? Долгое время четкого ответа на этот вопрос не было. До тех пор, пока над этой проблемой не задумался Роберт Лэнг. Ответ, который он нашел, оказался удивителен и парадоксален: складывая лист бумаги, можно сделать модель любой формы. Используя математические выкладки, ученый вывел закономерность создания образов оригами, сформулировав тем самым универсальный подход к решению любых задач.

Чтобы убедить самых больших скептиков в правильности своих суждений, Лэнг написал специальную программу TreeMaker.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Когда вы станете настоящим мастером оригами и устанете от всяких журавликов и зайцев, вспомните об этой программе. С ее помощью вы сможете сделать план для сборки любой придуманной вами фигуры. Работает TreeMaker так: пользователь создает набросок из линий, указывая примерные очертания создаваемой модели. Построив “скелет” нужной формы, программа генерирует развертку, отмечая на ней топологию сгибов бумаги.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Хотим обратить внимание на то, что программа не делает идеальную развертку для придуманной фигурки оригами. Согласно математическому методу, разработанному Лэнгом, сгенерированная развертка является базовой основой будущей фигурки. Довести ее до точных контуров собирателю оригами придется уже самому. Например, программа покажет основу для формирования рогов бумажного жука, но их ширину и направление нужно подбирать самостоятельно.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

По мере того, как ученый набирался опыта в сборке, он обратил внимание на то, что “детская забава” может быть использована для решения очень многих вполне серьезных проблем. В конечном итоге он вообще оставил свою работу в Силиконовой Долине и посвятил все свое время практической стороне оригами.

К примеру, в 2005 году к Лэнгу обратился концерн Mitsubishi с просьбой сделать необычную оригами-презентацию автомобиля. Использование оригами в рекламе — не редкость, но если присмотреться, можно обнаружить, что в большинстве клипов сложных фигурок немного. Чаще всего показывают только одну фигурку, которая затем трансформируется во что-то другое.



Создать же полноценный оригами-мир (даже для короткого ролика) очень сложно, ведь для этого нужно вручную сложить из бумаги сотни различных фигурок. Реклама автомобиля Mitsubishi, над которой работал Роберт Лэнг, — один из примеров такого титанического труда. Когда ему поручили работу над этим клипом, для сборки моделей была выделена целая команда людей. Но оказалось, что неспециалистам в оригами сложно быстро складывать модели даже по готовым дизайнам, созданным Лэнгом. В итоге почти всю работу по складыванию полутора тысяч фигурок выполнил сам Лэнг и его помощница.

Mitsubishi - Origami from Brian Donovan on Vimeo.



Жизненно важное оригами

Есть немало людей, которые трактуют оригами по-особенному. Для них главная цель складывания бумажных листов состоит не в имитации узнаваемых форм, а в поиске способов размещения большого в малом. Как сложить лист бумаги, чтобы он занимал минимум места, но быстро и удобно разворачивался? Эта задача очень интересна и важна, поскольку ответ на ее решает множество инженерных проблем.

Вот несколько примеров, которые демонстрируют ценность этого аспекта оригами.

Как вы знаете, в большинстве современных автомобилей используется так называемая “воздушная подушка”, или “подушка безопасности”. Она представляет собой аварийный надувной элемент (часто из нейлона), который мгновенно раскрывается в случае резкого столкновения автомобиля с другим транспортным средством или препятствием. Подушка безопасности снижает вероятность удара человека о салон авто, что особенно актуально при лобовом столкновении. Очевидно, что чем больше площадь подушки и чем быстрее происходит ее раскрытие, тем больше шансов, что данная мера предосторожности спасет человеку жизнь. Эти и прочие факторы находятся в прямой зависимости от того, каким образом сложена эта подушка.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Немецкая компания EASi Engineering обратилась все к тому же Роберту Лэнгу с просьбой подсказать оптимальный вариант складывания подушки безопасности, для которого бы срабатывание аварийного элемента происходило равномерно и максимально эффективно. Оценив выдвигаемые требования, Роберт пришел к выводу, что принципы для складывания оригами вполне сгодятся, чтобы аккуратно спрятать подушку безопасности под приборной доской.

К этому моменту Лэнг открыл несколько любопытных закономерностей, которые позволили ему проектировать любые развертки. Например, он увидел, что углы вокруг вершины в месте многочисленных сгибов подчиняются простому правилу. Если пронумеровать их по кругу, то сумма четных углов будет равняться сумме нечетных и будет составлять 180 градусов. Если посмотреть на любую развертку бумаги, то можно заметить, что число линий сгиба на листе уходящих вниз отличается от числа линий сгиба в противоположном направлении, вверх, ровно на два. Это правило соблюдается для всех внутренних вершин независимо от топологии карты сгибов. Применив свои наблюдения, Роберт смог показать немецким инженерам оптимальную развертку для подушки безопасности.



В другом случае к древнему искусству оригами обратились медики. Их проблема также была связана со спасением человеческих жизней. Вопрос касался особенностей процедуры стентирования. Термин “стентирование” (надеемся, вам не придется с ним столкнутся в реальной жизни) означает операцию по внедрению в организм человека так называемого стента — полой трубки, которая искусственно расширяет суженный участок органа, например, артерию, пищевод и др. Чтобы провести такую операцию, желательно, чтобы стент занимал как можно меньший объем, а после установки разворачивался до нужных размеров.

В 2003 году два сотрудника Оксфордского университета Zhong You и Kaori Kuribayashi представили такой складной вариант стента. За основу конструкции устройства, способного спасти жизнь многим людям, исследователи взяли модель оригами, знакомую многим из детства, — водяную бомбочку.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Складная оптика на основе оригами

Оригами — это не только моделирование бумажных или других форм. Это образ мышления, особый нестандартный подход к привычным вещам. И, к слову, сгибать можно не только материальные объекты. Например, в семнадцатом веке Джеймс Грегори и Исаак Ньютон догадались использовать в конструкции телескопа зеркало. Тем самым они удлинили оптический путь и получили более совершенное устройство, лишенное цветных ореолов — артефактов хроматической аберрации, главного недостатка рефракторного телескопа.

В конструкции телескопа с отражающим элементом траектория луча света складывалась благодаря отражению. И, вот, спустя почти четыре столетия, ученые продолжают делать открытия, манипулируя формой траектории луча.

Открытие, сделанное инженерами Калифорнийского университета Сан-Диего, в печатных изданиях тут же окрестили “оптическим оригами”. Ученые нашли способ уменьшить размеры оптической системы, объединив наработки Ньютона и мастеров бумажных скульптур.

Исследователи взяли небольшой диск (прозрачный кристалл из фторида кальция) и проделали в нем концентрические отверстия. Внешнее кольцо в этом устройстве служит для попадания света в данную систему. 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.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Один из авторов объектива нового поколения Эрик Тремблэй (Eric Tremblay), кандидат технических наук в Jacobs School UCSD, утверждает, что новая оптическая система способна заменить громоздкие комплекты линз, уменьшив исходную оптическую конструкцию приблизительно в семь раз. Единственный недостаток нового объектива — по причине расположения апертуры вдоль края линзы система дает очень маленькую глубину резкости. Впрочем, изобретатели уверяют, что этот минус в будущем будет устранен.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Традиционный объектив (слева) и три модели “оригами-объективов”


Оригами в космосе

Все схемы оригами отличает особая рациональность — в них нет лишних действий, каждый сгиб подчиняется правилам и законам геометрии. Человек давно осознал эту особенность оригами и научился использовать ее в своих целях. Например, одна из инженерных находок оригами, которая была взята на вооружение конструкторами, — схема Миура-ори. Эту схему придумал и впервые предложил использовать японский астрофизик профессор Koryo Miura в далеком 1970 году.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

На первый взгляд кажется, что схема пересечений линий сгиба до смешного проста — представляет собой вертикальные и горизонтальные направляющие. Однако если внимательнее присмотреться, можно увидеть, что вертикальные линии не являются идеальными прямыми. Они представляют собой ребра модели, которые на развертке наклонены под углами 84 и 96 градусов. Материал, сложенный по данной развертке, очень легко разворачивается — для этого нужно всего лишь потянуть за два противостоящих угла конструкции. А толщина сложенной модели Миура-ори зависит только от толщины используемого материала.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Как показало время, это было превосходное решение для разворачивания в космосе солнечных батарей. Метод профессора Koryo Miura позволил сократить количество двигателей, необходимых для раскладывания фотоэлементов в космосе, а также значительно упрощал конструкцию в целом.

Вариант, предложенный японским астрофизиком, положил начало целого раздела в искусстве складывания бумаги, так называемого “жесткого оригами”. Специалисты, которые занимались впоследствии данной областью оригами, старались найти оптимальные решения для складывания всевозможных жестких устройств с шарнирным соединением. И, конечно, чаще всего, жесткое оригами применялось для проектов, связанных с космосом.

В марте 1995 года был запущен Space Flight Unit — японский спутник, который вышел на орбиту и развернул в космосе комплект солнечных батарей, сложенный по схеме Миура.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

В 2004 году японское агентство аэрокосмических исследований провело успешный запуск и развертывание в космосе первого в мире солнечного паруса, также “упакованного” по принципу оригами. Малая ракета S-310-34 несла на себе два различных типа паруса с толщиной отражающей пленки всего 7.5 мкм.


Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Процесс развертывания паруса в форме клевера, снятый бортовой камерой S-310


Через 100 секунд после старта на высоте 122 километра, ракета развернула первый парус в форме четырехлистника клевера. А на высоте 169 километров был развернут второй парус из шести сегментов.

Спустя шесть лет, в 2010 году японцы снова вспомнили про секреты оригами, запуская проект IKAROS. Этот космический аппарат должен был провести испытания более совершенной модели солнечного паруса, пригодного для оснащения кораблей, направляемых к другим планетам. Благодаря примененной схеме оригами, почти двести квадратных метров сверхтонкого полотна были развернуты без малейших повреждений.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

В ближайшем будущем, предположительно в 2018 году, в космос будет запущена самая мощная обсерватория — телескоп имени Джеймса Уэбба. Он должен будет заменить устаревший легендарный “Хаббл”, который уже почти четверть века находится на околоземной орбите. Диаметр зеркала, который будет использоваться в новом телескопе почти в три раза больше аналогичного элемента в конструкции Хаббла – 6,5 против 2,4 метра. Складная конструкция такого телескопа довольна проста — складываются всего три компонента.

И хотя телескоп имени Джеймса Уэбба еще не был доставлен на орбиту, ученые уже ведут разработку телескопов следующего поколения. Так, например, в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса ведется разработка телескопа Eyeglass, диаметр главной линзы которого будет не менее ста метров. Роберт Лэнг разработал складную систему прозрачной линзы под названием “зонтик”, благодаря которой стометровый компонент уменьшался всего до трех метров. Если посмотреть на конструкцию, предложенную Робертом, можно увидеть, что это — самое настоящее оригами.

Неожиданные сферы применения оригами: от ДНК до космоса

Схема складной конструкции телескопа и Роберт Лэнг рядом с уменьшенным прототипом складной линзы


Назад Вперед








Еще по теме:

  • Alice — 3D-анимация, похожая на stop motion
  • 3D-реклама General Electric в стиле оригами
  • Невидимые люди и оригами из гофрированного картона от Ali Golzad
  • Оригами в 3D: рекламный ролик французской почты
  • Оригами и искусство теней от художницы Kumi Yamashita



  • Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.

    Форум Топик Ответов
    Будьте в курсе новостей