Origami là loại hình nghệ thuật gấp giấy độc đáo của Nhật Bản đã phát triển từ thế kỷ 17. Ngày nay, origami đang truyền cảm hứng cho các kỹ sư thiết kế ra các loại vật liệu hoạt tính và các cấu trúc thông minh có thể uốn, kéo căng và bẻ cong, khắc phục được những hạn chế thiết kế truyền thống và đem lại cho các sản phẩm và hệ thống những tính năng và đặc điểm hiệu suất vượt trội.

Có lẽ ví dụ thường gặp nhất là các túi khí ô tô nhỏ gọn một cách đáng ngạc nhiên, tuy nhiên kỹ thuật lấy cảm hứng từ origami cũng đang tạo nên các ứng dụng thương mại trong các lĩnh vực năng lượng, may mặc và y tế. Phản ánh mối quan tâm gia tăng về lĩnh vực này, Quỹ Khoa học quốc gia Hoa Kỳ đã tài trợ cho tám trường đại học để áp dụng kỹ thuật origami trong các lĩnh vực kết cấu và hệ thống thông minh, tự lắp ráp và có thể tái cấu hình.

"Kỹ thuật Origami có thể đáp ứng các yêu cầu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, với các sản phẩm và hệ thống có những ứng dụng phức tạp," Mary Frecker, Giáo sư về kỹ thuật cơ khí và y sinh thuộc Đại học bang Pennsylvania, một trong số các trường đại học được nhận tài trợ của NSF, cho biết. Oragami cho phép tạo ra các sản phẩm có khả năng gấp và duỗi tùy theo yêu cầu và vào bất cứ thời điểm nào.

Để tạo ra những sản phẩm như vậy, các nhà thiết kế đang thử nghiệm loại vật liệu hoạt tính như các chất dẻo hoạt tính manheto (magneto-active), bao gồm các hạt chứa từ tính - như ferit bari - nhúng trong một vật liệu nền đàn hồi và thể hiện tính năng đặc biệt có thể bẻ cong và xoay khi có áp dụng một từ trường. Các hợp chất polime tổng hợp có mật độ năng lượng cực cao cũng được chú ý trong cộng đồng thiết kế origami, do vật liệu có khả năng nén và kéo căng dưới điện áp.

Trong khi các loại vật liệu thể hiện các tính năng kỳ diệu trong cách chúng biến hình theo các hình dạng và mẫu hình khác nhau, thách thức đối với các kỹ sư là tạo ra một hệ thống có cấu trúc hoàn chỉnh và có thể chế tạo phục vụ các ứng dụng thực tế.

Theo các nhà nghiên cứu cho biết, trong khi nghệ thuật origami truyền thống sử dụng giấy, hầu hết các ứng dụng kỹ thuật đòi hỏi các loại vật liệu có một độ dày nhất định để tạo ra độ bền và độ cứng cần  thiết và để đạt được một chức năng mong muốn. Phân tích thiết kế thử nghiệm cho thấy các quá trình kích hoạt khác nhau quyết định các tính năng uốn nếp, bẻ cong và biến dạng trong cấu trúc vật liệu.

Trong khi các nhà nghiên cứu tiếp tục tạo ra các cấu trúc mới để sử dụng thực tế, một số công ty đã đưa các thiết kế có cảm hứng từ origami vào thị trường thương mại, hiện thực hóa những lợi ích của các sản phẩm và hệ thống có khả năng gấp nếp độc đáo.

 Hãng GE Healthcare gần đây đã hợp tác với trường Đại học Brigham Young (BYU) để tạo ra một lớp phủ cho chiếc cần kéo dài của một máy chụp X quang sử dụng trong phòng mổ bệnh viện. Lớp vỏ che này có thể mở rộng và co lại như một chiếc đàn accordion có vai trò như một lớp bọc vô trùng trong phòng mổ. Vỏ bọc này được làm bằng chất liệu Tyvek®, một loại giấy tổng hợp do hãng DuPont sản xuất. Hãng GE cần đến một thiết kế cải tiến loại màng nhựa plastic thông thường để bọc cánh tay hình chữ C có thể di chuyển của máy chụp X quang. Bình thường lớp vỏ bọc này cứ phải thay thế mỗi lần chiếc cần máy chụp xoay vào và ra khỏi môi trường khử trùng, làm mất thêm thời gian cũng như chi phí cho các thủ tục phẫu thuật.

"GE cần một thiết kế vỏ bọc mà duy trì được trạng thái vô trùng trong mọi chuyển động và vị trí của cánh tay kéo dài" - Larry Howell, một giáo sư Khoa Cơ khí tại BYU cho biết. "Sau khi một số khái niệm đã được đánh giá và thử nghiệm, một thiết kế dựa trên origami đã được lựa chọn".

Thiết kế của tấm vỏ bọc rất phức tạp. Để làm cho phù hợp với sự chuyển động cần thiết và hình dạng của cánh tay máy chụp X-quang, nhóm nghiên cứu BYU đã phát triển một cái vỏ bọc có thể điều chỉnh được dựa trên một mẫu hình nếp gấp được gọi là Miura-ori. Được đặt tên theo nhà thiên văn học Nhật Bản Koryo Miura, phương thức Miura-ori đã lấy cảm hứng từ lĩnh vực thiết kế hệ thống, cho phép các kỹ sư có thể gấp và trải rộng các bề mặt cứng và dày theo các hướng khác nhau trong chuyển động liên tục.

 Một ứng dụng y tế khác từ kỹ thuật origami là các dụng cụ phẫu thuật thăm dò, kẹp và các dụng cụ khác có khả năng luồn vào trong cơ thể ở trong trạng thái hẹp và nhỏ gọn và có thể mở ra sau khi đưa vào. Kỹ thuật dựa trên Origami cũng có thể đóng một vai trò trong thủ thuật stent y sinh cải tiến.

Ngoài các lĩnh vực y tế, các sản phẩm lấy cảm hứng từ origami bao gồm kính viễn vọng, vỏ bảo vệ cho xe ô tô, dụng cụ thể thao, thuyền kayak, mảng pin mặt trời, ngăn kéo thiết bị và nhà ở tạm. Mảng pin mặt trời là một ví dụ về loại màng có thể dàn trải cho phép thực hiện các thiết kế linh hoạt, bao gồm cả khớp nối ma sát thấp, thể tích vật liệu thấp, độ uốn dọc có kiểm soát (controlled buckling) và khả năng dàn trải rộng.

Trong lĩnh vực dụng cụ thể thao và may mặc, kỹ thuật Origami đã được ứng dụng trong một mẫu thiết kế ba lô mới lạ. Đặc điểm khác biệt của ba lô là các mắt lưới hình tam giác cho phép chiếc túi thay đổi hình dạng phù hợp với các đồ vật bên trong, chống được sự xáo trộn đồ chứa bên trong và bảo vệ chống thiệt hại. Loại ba lô này kết hợp tỉ mỉ giữa kỹ thuật với tính thẩm mỹ và sự thoải mái dễ chịu.

Theo Frecker tại Penn State, một lĩnh vực quan tâm ngày càng tăng đó là cấu trúc tự gấp, cũng như các hệ thống quy mô lớn có thể triển khai phục vụ thăm dò vũ trụ. Ngoài ra còn có sự chú trọng vào các ứng dụng kết hợp các phương pháp điện, từ và nhiệt để kích hoạt vật liệu tạo khả năng thiết kế Origami.

Nguồn: NASATI, ngày 16/12/2014