Origami và cuộc cách mạng thiết kế công nghiệp

Năm 2007, tờ The New Yorker đăng câu chuyện truyền nhiều cảm hứng về nhà vật lý Robert Lang tại NASA, người đã trở thành một nghệ nhân origami toàn thời gian kể từ 2001. Lang đã vận dụng nền tảng toán học (rất mạnh) của mình vào trong địa hạt gấp giấy, và biến những mô hình trước kia chưa từng có trở thành hiện thực.

Bài báo đó đã khích lệ Anton Willis – người tốt nghiệp kiến trúc từ Berkely, đam mê môn chèo thuyền (kayak) – nghĩ đến việc liệu có thể gấp một chiếc kayak khi vừa mới chuyển tới căn hộ ở San Francisco. Lúc nhỏ, Willis đã từng có kinh nghiệm gấp origami, nhưng không phải những thứ quá phức tạp. Vì thế, anh đã bắt đầu gấp từng mô hình một và loay hoay hàng tuần lễ. Trên thực tế, việc tạo hình một chiếc kayak là không quá khó, nhưng để nó trở nên đủ nhỏ và nhét vừa vặn trong túi đeo lưng thì lại chẳng dễ dàng gì. Sau 2 năm và hoàn thiện 25 mẫu thiết kế, Willis đã khởi sự công ty Oru Kayak ở California, kinh doanh bốn mẫu kayak gấp; trong đó một chiếc hiện đang nằm ở Bảo tàng Nghệ thuật hiện đại San Francisco.

Trong khi số đông chỉ coi origami như một môn nghệ thuật, ngày càng nhiều công ty, nhà nghiên cứu và kỹ sư đang cố gắng vân dụng nó vào lĩnh vực không gian, y tế, robot, kiến trúc, an ninh, quân sự, … để tìm hướng giải quyết những vấn đề thiết kế đau đầu, như làm sao để nhét vừa vật thể mang kích thước to lớn vào bên trong một không gian chật hẹp. Chẳng thế mà cả Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ (ASME) và Hiệp hội Toán học Hoa Kỳ (AMS) đều đã chọn đưa origami vào trong các hội thảo thường niên của mình.

Trong số các nhà khoa học và kỹ sư giỏi đang đứng ở trung tâm của sự chuyển dịch ấy, lỗi lạc nhất phải kể đến Lang – người được đào tạo bài bản về kỹ thuật điện và vật lý ứng dụng tại ĐH Caltech và Stanford, đã từ bỏ vị trí rất tốt của mình ở Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA (Lang đã công bố đến 80 bài báo khoa học và sở hữu 50 bằng sáng chế) để giành thời gian, tâm trí cho môn nghệ thuật gấp giấy mà ông coi nó thực sự cũng là khoa học. Ông đã liên tục gấp để thư giãn, với nhiều mẫu chủ yếu là côn trùng và động vật (như ốc mượn hồn, chuột trong bẫy, kiến, hay một chiếc đồng hồ chim cuckoo kích thước như thật, …) và phải mất hàng tuần để hoàn thành.

Năm 2001, Lang cho công bố một bài báo, mô tả những nét cơ bản của một thuật toán trong thiết kế origami, và sau đó là nhiều paper khác. Ngoài ra, ông còn viết vài cuốn sách – bằng trí tưởng tượng phong phú nhưng cũng cực kỳ nghiêm túc, và phần mềm máy tính như TreeMaker và Tessellatica (hỗ trợ ý tưởng tạo hình từ những mảnh đơn giản). Nhiều bài báo trong số đó đã thu hút được sự quan tâm của các kỹ sư ở Phòng Thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, những người đang cần chế tạo một ống kính viễn vọng mới có khả năng gập lại trên hành trình được phóng vào không gian. Tri thức và kinh nghiệm của Lang thực sự đã rất hữu ích, giúp dự án thành công. Chưa hết, ông còn tham gia tư vấn cho nhiều dự án thiết kế tương tự, như một màn sập khổng lồ mang tên Starshade – có công dụng chặn ánh sáng từ các ngôi sao xa để cải thiện năng lực của kính viễn vọng không gian.

Những ngày này, Lang đang phải chia sẻ thời gian của mình giữa nghệ thuật và công việc tư vấn cho rất nhiều dự án với các tập đoàn và đối tác học thuật. “Bên trong mỗi nhà khoa học giỏi là một phần của người nghệ sĩ”, ông nói. Và những công trình của Lang cũng đã hấp dẫn Larry L. Howell – giáo sư ngành kỹ thuật tại ĐH Brigham Young University, sau khi được một sinh viên tiến sỹ gợi ý nên tìm hiểu về origami để sáng tạo ra những giải pháp mới. “Chúng tôi nhận thấy có thể học được rất nhiều từ các nghệ nhân gấp giấy, để giải quyết những vấn đề kỹ thuật hóc búa mà hướng tiếp cận truyền thống không thể làm được”, Howell nói.

Ban đầu khi mới hợp tác với Lang, Howell đã có đôi chút dè dặt vì lo ngại khả năng giải trình liên quan đến nguồn tài trợ nghiên cứu do liên bang cấp. Nhưng sau đó mọi chuyện đã diễn ra hết sức tốt đẹp. Trong số các dự án được NSF (Quỹ Khoa học Quốc gia) tài trợ, phải kể đến mẫu thiết kế một tấm quang năng – có khả năng gập lại, chỉ dài khoảng 9 feet để tiện vận chuyển, nhưng sẽ mở rộng ra thành 82 feet khi được triển khai để tạo ra điện. Thành công này thực sự đã mang lại danh tiếng cho origami trong lĩnh vực thiết kế công nghệ cao, kéo theo nhiều dự án và công bố sau đó.

Howell cùng nhóm của mình đã tiến công vào lĩnh vực y tế, khi ứng dụng origami để làm ra các thiết bị thu gọn, chuyên dụng cho ngành phẫu thuật robot. Bên cạnh đó, họ cũng phát minh ra oricep – chiếc gắp phẫu thuật nhỏ bé, lấy cảm hứng từ mẫu origami chomper (cây ăn thịt); hay retractor (dụng cụ banh miệng vết mổ) giúp robot phẫu thuật thao tác chỉ cần qua một vết rạch nhỏ. Sau khi làm việc với Bộ Nội an Hoa Kỳ, Howell cũng hợp tác với Lang để thiết kế lá chắn gấp Kevlar, có khả năng bảo vệ cho hai đến ba người. Ngoài ra, họ còn đang tham vấn cho một công ty đường sắt để thiết kế phần bọc khí động học đầu máy, giúp hãng tiết kiệm hàng triệu USD mỗi năm cho chi phí nhiên liệu, …

Lang nhận định, hiện đang có rất nhiều nhà nghiên cứu làm công việc tương tự như ông (chắp vá toán học với origami và công nghệ), và theo cách hoàn toàn độc lập. “Nhờ hướng tiếp cận mang tính hệ thống, ý tưởng dồi dào, và đặc biệt là những con người với nền tảng toán lý vững chắc, lĩnh vực này chắc chắn sẽ nảy nở.”

Một giáo sư ngành robotics ở Harvard đang ứng dụng origami để thiết kế một thiết bị gắp (grab) các sinh vật thân mềm biển sâu (như sứa) mà không làm tổn hại chúng. Các nhà nghiên cứu tại ĐH Oxford cũng đang phát triển một thiết bị hỗ trợ đặt trong tim, sử dụng ý tưởng origami truyền thống về loại bom nước. Manan Arya – kỹ sự tại Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA, còn viết luận văn tiến sỹ của mình về ứng dụng origami trong thiết kế các siêu cấu trúc không gian. Hay Erik Demaine – giáo sư ngành khoa học máy tính tại MIT và con trai của một nhà điêu khắc tượng, thậm chí còn tiếp bước con đường của Lang, theo đuổi môn nghệ thuật origami và các ứng dụng của nó trong nghiên cứu, để giành được khoản tài trợ từ quỹ MacArthur danh giá. “Trong những năm qua, đã có rất nhiều niềm hứng khởi liên quan đến các ứng dụng khoa học kỹ thuật của origami, mà nhờ chúng bạn hoàn toàn có thể sáng tạo nên những cấu trúc thực với khả năng thay đổi hình dạng căn bản”, Demaine phát biểu trong cuộc phỏng vấn với PBS.

Sau cùng, như Lang nhận định: “Có một sự trang nhã mang tính mỹ học trong các giải pháp origami đối với những vấn đề phức tạp, theo cách không mấy ai ngờ tới, nhưng chúng thật sự rất đẹp và thu hút tâm trí của mọi người.”