Оригами – использование традиционного искусства в передовых технологиях

Сотовый наполнитель на основе технологий оригами – рынок в несколько триллионов йен

«Оригами», или японское традиционное искусство складывания из бумаги самых разнообразных фигурок, от журавликов до динозавров, пользуется популярностью во всём мире. Однако достоинства оригами не ограничиваются прикладным творчеством. Профессор Организации стратегической координации исследований и интеллектуальной собственности при университете Мэйдзи  Хагивара Итиро считает оригами настоящей сокровищницей, таящей в себе ресурсы для бизнеса масштабом в триллионы йен. Удивительно, но факт – фигурки из бумаги действительно можно использовать для развития инновационной промышленности.

Слева: украшение для праздника Танабата, натолкнувшее на идею создателей сотового наполнителя. Справа: сотовый наполнитель из картона (фотографии предоставлены профессором Хагивара).

По словам профессора Хагивара, именно украшения для праздника Танабата, выполненные в виде разрезанных оригами, послужили источником вдохновения для английских инженеров, изобретших сотовый наполнитель после Второй мировой войны. Сотовый наполнитель – это множество соединённых между собой шестигранных ячеек, напоминающих пчелиные соты. В повседневной жизни данная технология встречается в картонных ячеечных наполнителях, используемых для защиты от ударов, вибрации и пр. В японских суперэкспрессах «синкансэн» алюминиевые ячеечные панели встраиваются в пол, помогая снизить вибрацию. В спутниковых ракетах такие панели наклеиваются на стены, предотвращая разрушение спутника от звуковой вибрации во время запуска. Однако по иронии судьбы столь перспективная технология с триллионным рынком появилась не на родине искусства оригами, а в далёкой Великобритании.

Стереотипное мышление – преграда на пути инноваций в Японии

По мнению профессора Хагивара, японским инженерам должно быть стыдно, что не они, а их зарубежные коллеги открыли способы практического применения традиционного японского промысла оригами в промышленных технологиях.

Профессор Хагивара ранее работал в компании Nissan Motors, занимаясь исследованиями в сфере обеспечения безопасности автомобилей при столкновениях. Впоследствии, став профессором Токийского технологического университета, он проводил исследования в сфере коллаборативной инженерии, ориентированной на отражение потребностей пользователей в автомобилях, включая повышение их комфортабельности. В 2002 году Хагивара впервые повстречался с разработками в сфере инженерии оригами профессора Киотского университета Нодзима Такэтоси (в настоящее время – приглашённый исследователь Института математических наук при университете Мэйдзи), убеждённого в том, что лёгкость, прочность и возможность изменения конфигурации оригами способны оказаться полезными в промышленности. Профессор Хагивара, поражённый широтой открывающихся в данной сфере возможностей, основал собственную группу для исследований технологий оригами.

«Чувства и ощущения имеют большое значение для коллаборативной инженерии. Рассмотрим в качестве примера цветок подсолнуха. Мы восхищаемся красотой расположенных по спирали семян, и я считаю, что использование красивых вещей способствует активизации нашего мозга. Услышав выступление об инженерии оригами профессора Токийского университета Нодзима, я подумал: «Вот оно!»         

В лаборатории инженерии оригами профессора Хагивара учатся 12 исследователей из Японии, России, Китая и Вьетнама (фото: Ямада Синдзи)

Мировая сенсация – складной робот

В Японии оригами по-прежнему склонны считать не более чем разновидностью традиционных прикладных искусств, однако профессор Хагивара отмечает огромный интерес к технологиям оригами во всём мире. В 6-м Международном симпозиуме по науке, математике и обучению оригами, проводившемся в Токио в августе 2014 года, приняли участие около 300 человек из 30 стран мира. Один из секретов растущей популярности оригами – появление после 1990 года большого количества компьютерных программ, способных разрабатывать оригами и моделировать деформацию бумаги при её складывании, способствовавших развитию исследований «компьютеризированных оригами». В 2012 году Национальный научный фонд США выделил 16 миллионов долларов на изучение технологий оригами.

В настоящее время в Америке ведутся инновационные исследования, ярким примером которых является научная работа специалиста по информатике и инженерии, профессора Массачусетского университета Эрика Демейна, посвящённая «складному роботу», изготовляемому из «запоминающих» форму полимерных материалов.

Оригами-коллекция от Иссэй Миякэ

Платье из оригами-коллекции Мияке Иссэя, выполненное на основе технологии свёртывания «макитори» (фото вверху: Ямада Синдзи, фото внизу предоставлено профессором Хагивара)

Несмотря на сохранение консервативного отношения к оригами в Японии, в последнее время отмечаются попытки исследований и применения технологий оригами в других сферах. Ярким примером тому служит выполненная по канонам оригами коллекция одежды, в разработках которой, помимо всемирно известного дизайнера Миякэ Иссэя, принимал участие исследователь Нодзима.

Дизайн одежды разработан на базе конструкции раскрывающегося по спирали бутона вьюнка, послужившей образцом для создания спиралевидных и конусовидных раскладывающихся моделей.

Раковины, крылья насекомых, модели расположения семян подсолнуха и другие объекты живой природы с подобной структурой таят в себе множество интересных возможностей для исследователей космической и механической инженерии. В ноябре 2014 года в американском журнале «Proceedings of the National Academy of Science» была опубликована статья «Asymmetric hindwing foldings in rove beetles» («Асимметричное складывание крыльев короткокрылых жуков») преподавателя Токийского университета Сайто. Дальнейшее развитие этих исследований способно оказать влияние на широкий спектр промышленных изделий, начиная от механизмов раскрытия панелей солнечных батарей для искусственных спутников и вплоть до таких повседневных предметов, как зонтики и веера.

От консервных банок до искусственных кровеносных сосудов

Слева: способ складывания «Миура-ори», разработанный почётным профессором Японского аэрокосмического агентства (JAXA) Миура Корё. Чтобы сложить или разложить конструкцию, достаточно её потянуть или сжать. Справа: в алюминиевой консервной банке используется технология «бриллиантовых ромбов», также основанная на исследованиях космических технологий профессора Миура.

Технология «Миура-ори» приобрела известность благодаря применению в складывающихся солнечных батареях; на бытовом уровне в Японии распространена так называемая технология «Ёсимура», применяемая в алюминиевых банках для слабоалкогольного напитка «тюхай». Когда Вы открываете банку, на её поверхности появляется выпуклый узор ромбовидной формы, благодаря которому банку легко смять. В наши дни технологии оригами стали находить применение в различных сферах повседневной жизни, - от легко сминаемых пластиковых бутылок до лёгких и прочных корпусов автомобилей и мебельной продукции, а также автомобильных подушек безопасности.

Лаборатория реактивного движения (JPL) Национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства （NASA）в сотрудничестве с исследователями Университета Бригама Янга ведут разработки солнечных батарей, способных увеличиваться в 10 раз при раскрытии благодаря технологии оригами (на фото – опытный экземпляр, BYU/NASA）

Преподаватель Токийского университета Тати Томохиро применяет технологии оригами в архитектуре. На фото – пример модели складывающегося здания (фото предоставлено Тати Томохиро)

Разработка технологий для внедрения в массовое производство

Как мы уже убедились, технологии японских оригами представляют интерес для самых разных сфер промышленности, включая медицину, транспорт, архитектуру и космос. Однако единственным примером массового производства продукции на базе технологии оригами является сотовый наполнитель.

В октябре 2014 года преподаватель Токийского университета Сайто успешно разработал новый метод производства сотового наполнителя. В отличие от прежнего изделия с многослойной структурой, Сайто предложил использовать технологию оригами, получая объемную структуру из 1 листа с разрезами. Данная технология позволяет производить прочный сотовый наполнитель повышенной жёсткости, сокращает расходы на производство и даже предоставляет возможность изготовления криволинейных панелей, изготовление которых до тех пор считалось невозможным.

Группа профессора Хагивара (университет Мэйдзи) разрабатывает также панели с выпуклым узором в виде тетраэдров, которые также легко сгибаются и обладают огнеупорными свойствами. Наслоение выпуклой и вогнутой сторон панелей одинаковой формы не только делает данную конструкцию прочнее обычной пластины в 7-8 раз, - расходы на её производство составляют всего 1/3 от суммы, необходимой для производства обычного сотового наполнителя. В настоящее время рассматривается вопрос о применении данной технологии для гелиостатов солнечных батарей, литиевых аккумуляторов, полов железнодорожных поездов и пр.

Панель с выпуклостями в виде тетраэдров, разработанная профессором Хагивара. Отличается гибкостью и жаропрочностью, может изготовляться на прессе, дешева в производстве (фото предоставлено профессором Хагивара)

Группа профессора Хагивара также уделяет внимание разработкам уникального трёхмерного принтера на основе технологий оригами. В отличие от обычного трёхмерного принтера, послойно создающего объекты на базе цифровой трёхмерной модели, принтер профессора Хагивара работает по обратному принципу, распечатывая схему оригами на основе 3D-данных. Это устраняет необходимость изготовления дорогостоящих макетов при производстве изделий. Исследовательская группа также рассматривает вопрос о разработке промышленных роботов для выполнения сварочных работ и сгибания материалов. Внедрение роботов будет способствовать реализации дешёвой схемы производства трёхмерных структур из металла, пластика и других материалов.

Искусство складывания фигурок из бумаги обладает многовековой историей, однако инженерные технологии оригами – сравнительно молодая сфера исследований. Есть все основания считать, что перед промышленным применением идей и технологий оригами в Японии и других странах мира открываются большие перспективы.

Фотография к заголовку: профессор университета Мэйдзи Хагивара Итиро. Фотограф: Ямада Синдзи

(Статья написана редколлегией Nippon.com на основе материалов Института специализированных передовых исследований университета Мэйдзи. Оригинал статьи на японском языке опубликован 13 февраля 2015 г.)