W centrum tej historii nie ma jednak ani pieniędzy, ani efektownych porównań o „taksówce dźwigającej tysiące słoni”. Kluczowe jest coś innego: pokazanie, że połączenie dziecięcej fascynacji origami z bardzo konkretną fizyką materiałów może prowadzić do rozwiązań, które realnie zmienią to, jak budujemy schrony, pakujemy towary czy projektujemy konstrukcje dla kosmosu.
To także ciekawy kontrapunkt do typowego obrazu nauki w szkołach. Zamiast suchych wzorów z podręcznika mamy nastolatka, który zamienia salon rodziców w mini-laboratorium wytrzymałości materiałów, a blok techniczny w platformę testową dla pomysłów na lekkie, a jednocześnie wytrzymałe struktury. I robi to w oparciu o coś tak pozornie banalnego, jak kartka papieru.
Miura-ori, czyli japońska sztuka w służbie inżynierii
Sercem projektu Milesa jest wzór składania znany jako Miura-ori. To opracowany w latach 70. XX wieku przez japońskiego astrofizyka Kōryō Miurę sposób dzielenia płaskiej powierzchni na siatkę równoległoboków, które można złożyć w harmonijkę, a potem jednym ruchem rozwinąć do pełnej płaszczyzny. Pierwotnie wymyślono go z myślą o panelach słonecznych dla statków kosmicznych, które muszą być jednocześnie lekkie, kompaktowe i bardzo łatwe do rozłożenia w kosmosie.
Ten rodzaj składania ma kilka cech, które dla inżynierów są jak małe święto: konstrukcja zachowuje się jak mechanizm o jednym stopniu swobody, czyli składa się i rozkłada w przewidywalny, płynny sposób. Do tego można ją szczelnie „spakować” w niewielkiej objętości, a po rozłożeniu uzyskać dużą, stabilną powierzchnię. W świecie, w którym płacimy za każdy kilogram i każdy centymetr sześcienny transportu, to ogromna zaleta.
Od kilku lat Miura-ori i inne wzory origami coraz mocniej wchodzą do inżynierii: od paneli satelitarnych, przez eksperymentalne mosty, aż po energetycznie efektywne schrony wojskowe i namioty ratunkowe, które można rozstawić w mniej niż godzinę, a później złożyć i przewieźć dalej. Badania pokazują, że odpowiednio zaprojektowane struktury origami potrafią przenosić bardzo duże obciążenia przy minimalnej masie, co czyni z nich idealnych kandydatów do zastosowań w infrastrukturze tymczasowej i mobilnej.
Domowe laboratorium i 54 wersje tego samego zagięcia
Miles nie poprzestał na jednym efektownym modelu do zdjęcia. Postanowił podejść do tematu jak rasowy inżynier: zaprojektował serię wariantów Miura-ori i sprawdzał, jak zmiana poszczególnych parametrów wpływa na wytrzymałość konstrukcji. Modyfikował wysokość równoległoboków w zagięciu, ich szerokość oraz kąt załamania, a do tego testował różne gramatury papieru – od zwykłego papieru ksero po sztywniejsze kartony. Łącznie wyszło z tego 54 różne konfiguracje, każda starannie przycięta i złożona z myślą o porównaniu wyników.
Każdy model trafiał następnie między dwie „szyny” ustawione w stałej odległości. Pomiędzy nie Miles wkładał swoją papierową konstrukcję, a na górę stopniowo dokładał ciężary. Na początku wykorzystywał do tego domową biblioteczkę, ale szybko okazało się, że książki to za mało. Rodzice musieli kupić zestaw ciężarków treningowych, aby konstrukcje wreszcie zaczęły się poddawać. Dopiero wtedy było widać, gdzie przebiega granica wytrzymałości danego wzoru.
Najciekawsza była jednak niespodzianka: intuicja podpowiada, że im grubszy, „solidniejszy” materiał, tym lepiej. Tymczasem z testów wyszło, że najlepszy stosunek wytrzymałości do masy zapewnia zwykły papier biurowy. Odpowiednio zagięty, w jednym z wariantów Miura-ori, potrafił przenieść obciążenie przekraczające 10 tysięcy jego własnej masy. Nastolatek przeliczył to na obrazowy przykład: tak jakby nowojorska taksówka była w stanie dźwigać kilka tysięcy słoni. To porównanie brzmi jak żart, ale dobrze oddaje skalę, z którą mamy do czynienia.
Od szkolnego projektu do schronów po katastrofach
Za całą zabawą z papierem stoi bardzo praktyczny cel. Miles interesuje się tym, jak szybko i skutecznie można budować tymczasowe schronienia po huraganach, trzęsieniach ziemi czy powodziach. Klasyczne namioty i baraki często są ciężkie, trudne w transporcie albo mało odporne na wiatr i deszcz. Składane struktury inspirowane origami dają szansę na coś innego: lekkie moduły, które można zapakować na paletę, dowieźć śmigłowcem w trudno dostępne miejsce, a potem w kilka minut rozłożyć do pełnowymiarowego schronu.
Wstępne analizy pokazują, że takie konstrukcje mogą nie tylko wytrzymywać duże obciążenia, ale też lepiej radzić sobie z izolacją termiczną i zużywać mniej energii na ogrzewanie czy chłodzenie. Dla wojska oznacza to niższe koszty paliwa w bazach polowych, a dla organizacji humanitarnych mniejsze wydatki na utrzymanie całych miasteczek namiotowych. Jeśli dodać do tego fakt, że moduły można złożyć, przewieźć i wykorzystać ponownie w innym miejscu, robi się z tego bardzo „zielone” rozwiązanie z perspektywy klimatu i zasobów.
Co ważne, pomysły nastolatka nie kończą się na schronach. Tego typu ultralekkie, a jednocześnie niezwykle wytrzymałe struktury mogą trafić do przemysłu kosmicznego, gdzie liczy się każdy gram, do robotyki miękkiej, do amortyzujących opakowań wielokrotnego użytku, a nawet do nowej generacji materiałów „inteligentnych”, które zmieniają kształt w odpowiedzi na warunki zewnętrzne. Origami, które kiedyś było tylko sztuką składania żurawi z papieru, staje się powoli językiem projektowania całych systemów inżynieryjnych.
Dlaczego ta historia jest ważniejsza, niż się wydaje?
Osobiście najbardziej lubię w tej historii to, że rozsadza ona kilka popularnych mitów naraz. Po pierwsze, mit, że „prawdziwa” inżynieria musi opierać się na egzotycznych materiałach, drogich laboratoriach i sprzęcie z najwyższej półki. Tu mamy nastolatka, stosunkowo prosty układ testowy, papier z drukarki i bardzo dobrze przemyślaną metodologię. A jednak efekt trafia na pierwsze strony serwisów technologicznych i do poważnych konkursów naukowych.
Po drugie, to świetny przykład tego, jak ważne są dzisiaj interdyscyplinarność i wyobraźnia. Origami kojarzy się z plastyką, sztuką albo zajęciami kreatywnymi dla dzieci. Tymczasem okazuje się, że ta sama umiejętność przekładania płaskiej kartki w trójwymiarową formę staje się narzędziem dla inżynierów kosmicznych, architektów, projektantów opakowań i specjalistów od katastrof naturalnych. Granica między „hobby” a „poważną technologią” robi się coraz cieńsza.
Wreszcie myślę, że to dobra przypominajka, że przyszłe przełomy wcale nie muszą rodzić się w wielkich korporacjach. Czasem zaczynają się w pokoju nastolatka, który z uporem składa kolejne moduły origami i zadaje sobie bardzo proste pytanie: „a co, jeśli da się to wykorzystać lepiej”. Jeśli takie podejście uda się przenieść szerzej do edukacji i projektów szkolnych, to może nas czekać więcej podobnych historii, w których „zwykły” papier okazuje się materiałem na coś znacznie większego niż tylko notatki z lekcji.