Origami và khoa học vũ trụ: Điểm chạm quá khứ - tương lai

TỪ NGHỆ THUẬT GẤP GIẤY TRUYỀN THỐNG

Origami (折り紙) là trò chơi gấp giấy truyền thống của Nhật Bản, thông qua các nếp gấp được thiết kế tỉ mỉ và công phu để biến những tờ giấy thành vô số hình dạng khác nhau. Nếu các quy tắc đối với Origami cổ xưa ít nghiêm ngặt, thì Origami thời hiện đại quy định tờ giấy được sử dụng phải vuông vức, không có vết cắt, vết keo dán hay không được dùng bút đánh dấu trong quá trình gấp.

Được tạo nên từ giấy nên lịch sử của bộ môn nghệ thuật này cũng gắn liền với sự xuất hiện của giấy tại Nhật Bản. Sau khi được người Trung Quốc phát minh vào khoảng năm 105, giấy đã có chuyến du hành đến Nhật thông qua Bán đảo Triều Tiên vào khoảng thế kỷ thứ 7. Tại đây, người Nhật với sự khéo léo và sáng tạo đã phát triển nên phương pháp sản xuất giấy Washi truyền thống của riêng mình. Kể từ đó, giấy bắt đầu được sử dụng rộng rãi hơn như để trang trí và làm dụng cụ trong các nghi lễ tôn giáo (gậy gohei, onusa), rồi dần dà được cách điệu hóa để trở thành Origami.

Đến giữa thế kỷ 20, bậc thầy Akira Yoshizawa đã tiên phong trong việc phát triển Origami thành môn nghệ thuật tinh xảo và đầy cảm hứng. Yoshizawa nổi tiếng với những người đam mê Origami vì đã sáng tạo ra phương pháp “gấp ướt” (ウェット・フォールディング/Wet folding). Kỹ thuật này tạo điều kiện thuận lợi cho việc gấp giấy, mang đến cho Origami một cái nhìn “điêu khắc” hơn, trái ngược với kiểu hình học thuần túy.

Ông cũng nằm trong số những người đã sáng tạo ra hệ thống sơ đồ Yoshizawa-Randlett, một phương pháp lập sơ đồ hướng dẫn gấp Origami được sử dụng rộng rãi ngày nay. Chính thiên tài của Yoshizawa đã truyền cảm hứng cho sự phục hưng của Origami và đóng vai trò quan trọng trong quá trình quốc tế hóa nghệ thuật này.

ĐẾN ỨNG DỤNG ĐỘT PHÁ TRONG LĨNH VỰC KHÔNG GIAN

Một đặc điểm quan trọng khiến Origami sở hữu vô vàn tiềm năng để ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học là khả năng biến đổi vật liệu mà không làm thay đổi khối lượng hay trọng lượng của nó. Chẳng hạn, từ một mảnh giấy phẳng có thể tạo thành một con hạc 3D chỉ bằng các nếp gấp, còn bản chất của tờ giấy thì không chịu sự thay đổi nào.

Trong không gian của nghệ thuật Origami tồn tại các đường thẳng, đoạn thẳng, góc, điểm chung, đa giác, hình phẳng, hình ba chiều, hệ tọa độ, các con số và độ dài… Đây chính là môi trường lý tưởng để các kỹ sư, nhà vật lý và nhà toán học nghiên cứu, tạo ra các vật thể có hình dạng bất kỳ, kể cả những thứ phức tạp nhất.

Còn khi nói về lĩnh vực không gian, có thể bạn đã quen thuộc với kỹ thuật Origami được sử dụng để gấp và triển khai các tấm pin mặt trời trên vệ tinh một cách an toàn. Vào năm 1995, Space Flyer Unit (SFU) - một vệ tinh dùng cho các thí nghiệm và quan sát không gian, đã ứng dụng kỹ thuật Miura-ori như một phương pháp để triển khai và xếp gọn nhanh chóng tấm pin mặt trời có diện tích lớn.

Miura-ori hay “gấp kiểu Miura” là một kỹ thuật Origami được sáng tạo vào năm 1970 bởi Tiến sĩ Koryo Miura, cho phép nhanh chóng mở ra và xếp lại một tờ giấy lớn chỉ bằng cách đẩy hoặc kéo theo đường chéo của tờ giấy. Ở Nhật Bản, Miura-ori được ứng dụng rộng rãi để xếp gọn những tấm bản đồ.

Vì vệ tinh và tàu vũ trụ vốn có những giới hạn nghiêm ngặt về kích thước lẫn trọng lượng, khả năng gấp gọn của Origami mang lại một giải pháp đột phá để khắc phục những hạn chế này.

Hiện tại, một thiết kế thậm chí còn hiệu quả hơn gọi là “Origami flasher”, đang được sử dụng. Kiểu gấp này cho phép các tấm pin mặt trời thậm chí còn nhỏ gọn hơn khi phóng và nâng cao độ tin cậy khi triển khai. Đây là kỹ thuật cải tiến nhằm giảm kích thước của các tấm pin xuống chỉ 1/10 kích thước ban đầu.

Hay một dẫn chứng khác, vào năm 2010, Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) đã phóng và thử nghiệm thành công du thuyền IKAROS sử dụng “cánh buồm mặt trời” để di chuyển trong không gian. Giống như một chiếc du thuyền trên Trái đất được đẩy nhờ lực gió kết hợp với cánh buồm, du thuyền không gian được đẩy bởi áp suất của các photon phát ra từ mặt trời lên một tấm màng lớn, vuông và mỏng gọi là cánh buồm mặt trời. Cánh buồm này rộng 14 mét mỗi bề, với độ dày chỉ 7,5 micromet.

Trong quá trình phóng, cánh buồm được gấp lại và xếp gọn theo kiểu Origami, quấn quanh thân hình trụ. Thân vệ tinh sau đó được quay trong không gian, với lực ly tâm tạo ra bởi chuyển động quay sẽ kéo căng cánh buồm cho đến khi nó bung ra hoàn toàn. Sau đó, phần thân chính tiếp tục quay để giữ cho cánh buồm mở rộng. Kết cục, cánh buồm Origami đã thành công đẩy IKAROS từ Trái đất đến vị trí cách Sao Kim trong phạm vi 80.000km, hoàn thành xuất sắc sứ mệnh đề ra.

Không chỉ vậy, Origami còn chứng minh tính hiệu quả khi ứng dụng vào kính viễn vọng không gian. Kính thiên văn Không gian James Webb là một ví dụ điển hình. Phần gương của nó được chế tạo thành 18 tấm gương nhỏ hình lục giác, đặt trên một cấu trúc có thể gập lại để lắp vừa vào tên lửa. 18 gương này tạo thành bề mặt tổng thể có đường kính 6,5m – một sự gia tăng đáng kể so với gương chính của kính Hubble – chỉ có một mảnh với đường kính 2,4m.

Vì hiện tại không một tên lửa nào có khả năng vận chuyển vật thể có kích thước lớn như kính James Webb nên việc ứng dụng kỹ thuật Origami để gấp những chiếc gương này lại được xem như một kỳ tích. Đối với NASA, kỳ tích này là cột mốc quan trọng mở đường cho sự phát triển của các vật thể có kích thước lớn hơn và phức tạp hơn, nhằm cải thiện các nghiên cứu về vũ trụ.

Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA là nơi dẫn đầu về kỹ thuật không gian Origami. Theo lời của Robert Salazar, một thực tập sinh tại phòng thí nghiệm, “Origami mang lại tiềm năng tạo ra một cấu trúc khổng lồ và khiến nó vừa khít với tên lửa”, do đó “phóng đại đáng kể những gì chúng ta có khả năng xây dựng trong không gian”.

Origami cũng truyền cảm hứng cho các thiết kế robot nhanh nhẹn, có khả năng thích ứng để khám phá không gian. Chẳng hạn, khung xe và các cánh tay điều khiển có thể được gấp lại để vượt qua những địa hình không bằng phẳng, sau đó biến đổi hình dạng khi cần thiết.

Một trong số đó là A-PUFFER (Pop-Up Flat Folding Explorer Robot), được phát triển bởi NASA để trinh sát các khu vực trên Mặt trăng và thu thập thông tin về những địa điểm mà phi hành gia có thể khó điều tra khi đi bộ, chẳng hạn như miệng núi lửa hay hang động hẹp. Với trọng lượng chỉ bằng một chiếc smartphone và có thể xếp lại để đóng gói vào một thiết bị lớn hơn, A-PUFFER sau đó được triển khai riêng lẻ trên bề mặt hành tinh để tăng khả năng di chuyển trên bề mặt.

A- PUFFER bao gồm các bánh xe Origami có thể gập xuống, cơ chế này mang lại sự ổn định cho robot trong khi vẫn duy trì kích thước nhỏ gọn. Thiết kế của nó còn kết hợp các polyme có khả năng ghi nhớ hình dạng để robot có thể tự gấp lại khi được kích hoạt bằng nhiệt trong không gian. Ngoài ra mỗi robot còn có một máy tính tích hợp với đài không dây để liên lạc và stereo camera để cảm nhận môi trường phía trước.

Bên cạnh tính di động, Origami còn hứa hẹn về khả năng bảo vệ chống lại bức xạ không gian. Các tấm chắn Origami nhiều lớp với các kiểu gấp chuyên dụng có thể tạo ra rào chắn hiệu quả mà vẫn đảm bảo tính “nhẹ”. Đặc biệt, vật liệu tổng hợp Kevlar được gấp lại thể hiện khả năng ngăn chặn bức xạ và cách nhiệt cao hơn so với vật liệu thông thường...

Các cơ quan vũ trụ quốc tế bao gồm NASA, ESA và JAXA đã đầu tư vào nghiên cứu ứng dụng của Origami thông qua quan hệ đối tác đại học và R&D nội bộ. Từ những robot nhỏ bé cho đến ý tưởng về cánh buồm mặt trời, nhiều công nghệ không gian trong tương lai gần có thể tận dụng các nguyên tắc thiết kế Origami để mở ra những khả năng mới, giải quyết những thách thức phức tạp trong việc khám phá không gian. Và vì thế, có thể dự đoán rằng kỹ thuật xếp giấy truyền thống của Nhật Bản sẽ đóng một vai trò quan trọng với sự phát triển của khoa học vũ trụ trong tương lai.