A Revolução Origami (The Origami Code)

Série Origami Moderno:

Abaixo, apresentamos a transcrição do documentário Origami Code, de François-Xavier Vives. Produzido por La Compagnie des Taxi-Brousse. Assista o trailer na Vimeo.

Origami, a arte ancestral da dobradura de papel, está no centro de uma surpreendente revolução contemporânea. Seu uso por artistas ampliou seu espectro de abordagens e expressões criativas. Seu uso por pesquisadores poderia levar a um experimento biomimético raro: entender e imitar as extraordinárias capacidades de dobraduras nos seres vivos. E ainda, à criação de novos materiais leves e resistentes.

Esse filme, de certo modo, dá uma continuidade ao famoso filme Between The Folds que apresenta as dimensões artísticas, científicas e tecnologias do Moderno Origami.

Este filme aprofunda e amplia a dimensão científica e tecnológica do Origami Moderno, com uma série de exemplos marcantes dessa revolução.

Abaixo, apresentamos a transcrição desse magnífico filme.

NARRADOR: Origami: a antiga arte da dobradura de papel; tem sido praticada por séculos, mas agora ela está desencadeando uma revolução científica. O potencial das dobraduras está lançando uma nova luz em nosso mundo e impulsionando uma onda de inovações teóricas e tecnológicas.

ERIK DEMAINE (Massachusetts Institute of Technology): Dobrar permite que você pegue um objeto e mude completamente sua forma de uma coisa para outra, como os Transformers ou o Robô Terminator (Exterminador) T-1000. Isso é tudo ficção científica, mas o Origami oferece uma maneira de tornar isso uma ciência real.

Erik Demaine | Mathematics | University of Waterloo

NARRADOR: A própria natureza é uma dobradura incessante. Padrões de Origami podem ser encontrados em todos os lugares, inclusive na superfície do cérebro humano. Mesmo as proteínas dentro de nossas células devem ser dobradas corretamente para funcionar.

Uma nova apreciação do Origami está surgindo, à medida que engenheiros e designers aplicam seus padrões para investigar o espaço e remodelar o mundo ao nosso redor. Ao dominar as regras da dobradura, os cientistas estão criando novas drogas, robôs que mudam de forma e materiais com propriedades extraordinárias.

Assista agora, na NOVA, a Revolução Origami: uma tradição que dura há séculos, e que vinha mudando lentamente, até agora.

Em seu estúdio, TOMOKO FUSE – a YOROKOBI(Grande Alegria) do ORIGAMI – inventa um novo tipo de Origami, adicionando um toque moderno à arte de dobrar. À medida que ela transforma uma única folha de papel em uma escultura tridimensional, pode-se vislumbrar uma infinidade de possibilidades. Um pedaço de papel dobrado pode mudar de tamanho e forma e se tornar algo totalmente inesperado.

À medida que o poder das dobraduras é descoberto, o Origami está se tornando uma ferramenta inestimável para a ciência. No Laboratório de Propulsão à Jato da NASA, os engenheiros estão usando um padrão de Origami para construir uma Star Shade (Sombra Estelar). Ele será implantado no espaço, expandindo-se para cerca de metade do tamanho de um campo de futebol. A sombra bloqueará luz suficiente para que um telescópio possa detectar planetas distantes que de outra forma seriam muito difíceis de ver. É uma das muitas aplicações surpreendentes da revolução do Origami.

What looks good on paper may look good in space – Exoplanet ...

Em Tóquio, uma Conferência Internacional sobre as últimas tendências da pesquisa de Origami está atraindo artistas e cientistas. Na exposição estão uma infinidade de maneiras que uma folha de papel pode ser dobrada em um objeto tridimensional.

Padrões tradicionais de Origami, como o clássico grou, têm menos de 30 passos, mas padrões modernos podem ter centenas, representando problemas complexos de geometria.

Um pesquisador que explora esse novo campo é o matemático e artista de Origami, Erik Demaine.

ERIK DEMAINE: Origami é desafiador, de uma perspectiva matemática. Ele tem essa geometria subjacente de linhas, pontos e dobras. E há restrições muito rigorosas sobre o que você pode fazer com o material, que é dobrar, sem alongamentos, sem cortes. E é meio alucinante que essa simples operação de dobradura permita que você transforme um quadrado plano de papel em formas super complicadas, loucas e 3D.

NARRADOR: Outro artista e pioneiro da revolução Origami é Robert Lang, que vive a leste de São Francisco. Com graduação em física e engenharia, a formação científica de Lang o ajudou a modernizar radicalmente a dobradura de papel.

Ele começa transformando uma imagem, neste caso de uma aranha viúva negra, em um simples esqueleto. Então, ele rompe com a tradição e usa um programa de computador para criar um padrão de vincos para dobrá-la.

ROBERT J. LANG (Físico e Artista): Então, isso agora é um padrão de vincos para uma aranha, e tem todas as partes. Você pode ver, mais ou menos, a alocação, por essas formas, que cada um desses hexágonos está delineando uma perna. Então, há uma perna, perna dianteira, perna média, perna média, perna traseira, perna traseira, perna média, perna média, perna dianteira. Este será o corpo, no meio. Na verdade, há mais papel aqui do que precisamos para fazer um corpo, mas, como o corpo é grande e bulboso, será fácil de esconder. E assim, no geral, esse é o projeto.

NARRADOR: O padrão de vincos digital é enviado para um cortador a laser, que grava o design em uma folha ultrafina de papel. A etapa final da dobradura será feita de maneira honrada e nobre, à mão. O software inicial de Lang só poderia gerar padrões para figuras de vara com corpos e membros, como insetos ou pessoas, mas criar uma ferramenta matemática para projetar tornou mais fácil enfrentar dobraduras complexas.

ROBERT LANG: Comecei Origami, quando tinha seis anos, quando encontrei algumas instruções em um livro. Curiosa e coincidentemente, um deles era para uma aranha. Eu era viciado. E eu acho que o que me fisgou foi a ideia de que tudo que você precisava era uma folha de papel e conhecimento, nada mais. Você não precisava de peças extras que pudessem se desgastar, apenas papel, e papel que estava disponível em qualquer lugar. Esta aranha compartilha algo em comum com a maioria das outras figuras de Origami, mesmo voltando àquela primeira figura que eu dobrei. Isto ainda é, depois de toda essa manipulação, um quadrado de papel sem cortes.

NARRADOR: A abordagem analítica de Lang permitiu que ele dobrasse uma aranha de Origami verdadeiramente crível. À medida que abordava formas cada vez mais complexas, a matemática era a ferramenta que lhe permitia explorar novos projetos.

ROBERT LANG: Este novo campo de Origami geométrico, ou abstrato, depende de algumas análises matemáticas bastante avançadas. Um dos líderes, talvez o líder nesse campo, é Tomohiro Tachi, que é professor na Universidade de Tóquio.

NARRADOR: Tomohiro Tachi está tentando desenvolver e avançar o design computacional ainda mais longe. Ele está escrevendo um programa de software que criará padrões de vincos para qualquer objeto, não apenas figuras de vara. Ele está colaborando em matemática com Erik Demaine.

Seu projeto começou depois que Tachi dobrou uma folha de papel em um bule tridimensional, dominando suas facetas e curvas. Pode parecer simples, mas não é.

What I am thinking: origami artist and mathematician Tomohiro ...

TOMOHIRO TACHI (Universidade de Tóquio): Então, este é um desafio para fazer este tipo de estrutura 3D. Isso é muito complexo. Mas, na verdade, naquela época, eu não usava um computador, então resolvi a geometria à “mão”.

ERIK DEMAINE: E é, tipo, meio alucinante, porque não se parece com nenhuma arte de Origami que já vimos. É um novo tipo de dobradura que te dá essa forma 3D maluca. E há subcortes e ângulos de reflexão, ângulos convexos. Tem muita coisa acontecendo no bule.

TOMOHIRO TACHI: Ao dobrar esse modelo, eu sabia que seria possível fazer quase qualquer coisa.

origami bunny by Tomohiro Tachi | Origami, 1000 paper cranes, Bunny

NARRADOR: Inspirado no bule, o software de Tachi, chamado “Origamizer“, converte um modelo 3D em um padrão de vincos 2D, que pode então ser dobrados na forma desejada. Espaços cinzentos são onde o excesso de papel pode ser escondido.

Erik Demaine mostra como funciona.

ERIK DEMAINE: Nosso modelo simples é… vamos dobrar apenas três quadrados de um cubo, um pequeno canto de um cubo. Vamos dobrá-lo usando este padrão de vinco, que calculamos usando Origamizer. Então, vamos fazer algumas dobras.

A ideia principal é bem simples. Estamos dobrando ao longo desses bissetores para unir duas bordas dos dois quadrados, assim, desse jeito. Então, lá, os dois quadrados são bons. Conseguir os três de uma vez, porém, é um pouco mais complicado. Sim, então fizemos exatamente o que queríamos. Acho que tinha algum material extra aqui. Eu poderia simplesmente dobrar isso. Isso não é tão ruim.

NARRADOR: O Origamizer também pode calcular os ângulos e dobras necessários para criar superfícies curvas, como visto neste donut.

Software

ERIK DEMAINE: Mas nem sempre funcionou. Então, às vezes você dava um modelo 3D e ele dizia: “Eu não sei como dobrá-lo.”

NARRADOR: Para aperfeiçoar o software, Tachi e Demaine estão agora trabalhando em uma prova universal. O objetivo é descobrir os passos matemáticos exatos que podem transformar qualquer superfície 3D em um padrão de vincos 2D e dizer como dobrá-la.

TOMOHIRO TACHI: Erik e eu provaremos que qualquer forma é dobrável de uma folha de papel. Então, estamos muito animados com isso.

NARRADOR: Se eles conseguirem, o Origamizer pode ser uma ferramenta de design inestimável.

ERIK DEMAINE: Como um geômetra, quando olho ao redor do mundo, vejo geometria em tudo. Penso em decompor objetos cotidianos em componentes geométricos. E o Origamizer permite que você pegue alguma coisa complicada do mundo real, traduza-a em geometria, e então ela pode ser representada em um computador, e então a matemática pode assumir e dizer: “Ok, aqui está como você dobra esta geometria.”

NARRADOR: Avanços na matemática do Origami estão abrindo novas possibilidades. A Dobradura está sendo aplicada à Biologia, Física e Engenharia. Está revelando uma nova maneira de controlar a matéria, uma que se assemelha à estratégia da natureza para construir estruturas.

Muito antes dos seres humanos existirem, o mundo natural já estava se dobrando. Então, como ele faz isso?

No sudoeste da França, o artista Vincent Floderer tem observado os padrões dobráveis na natureza.

VINCENT FLODERER (Origami Artista): Neste banco, eu posso encontrar dobraduras do tipo mais básico. Por exemplo, cada lâmina de grama é construída por vincos paralelos. Tem uma única dobra no centro, cercada por linhas paralelas.

NARRADOR: Floderer descobriu uma maneira incrível de dobrar papel: amassando-o. Isso significa quebrar as regras do Origami tradicional.

VINCENT FLODERER: Origami significa papel dobrado, e é exatamente isso que eu faço. Mesmo que eu esteja apenas amassando-o, ele realmente está dobrando com um monte de vincos. E o trabalho pode ter centenas, milhares ou milhões de dobras, em alguns casos.

ERIK DEMAINE: O trabalho de Vincent é realmente incrível na forma como combina geometria e arte e física. Quero dizer, o resultado final parece meio caótico e aleatório, mas se você observar o processo de como ele os faz, é realmente extremamente estruturado. Ainda não totalmente compreendido matematicamente, mas praticamente, ele pode fazer formas incríveis, bonitas e muito naturais que às vezes você não pode nem distinguir de suas contrapartes biológicas reais.

NARRADOR: Mas como Floderer consegue tal realismo?

VINCENT FLODERER: Para mim, esta é uma sequência de retângulos. Parece estranhamente um pinheiro. Mas, na realidade, é uma construção geométrica pura, que se automonta. Minha técnica de amassar (vincar) é baseada nesta automontagem, que você pode ver também aqui.

Isso parece quase uma esponja de verdade. Esses padrões são flexíveis, podem variar, mudar, mas são, em princípio, apenas uma sequência de hexágonos.

NARRADOR: O trabalho de Floderer captura a geometria que ele vê na natureza, mas por que a natureza é uma dobradura tão persistente em primeiro lugar?

É uma questão que os cientistas estão enfrentando. O matemático e cientista L. Mahadevan está estudando a dobradura semelhante ao Origami que está ao nosso redor na natureza. Hoje, ele está dando uma olhada de perto nos botões que crescem em árvores de faia. As folhas são embaladas em um pequeno espaço antes de florescerem. Só quando começam a crescer, as folhas começam a se desdobrar.

Wyss Core Faculty member L. Mahadevan elected as Fellow of the ...

L. MAHADEVAN (Universidade de Harvard): Pense na folha como uma superfície relativamente fina, e agora ela está crescendo. E está crescendo, potencialmente, em ambas as direções. Então, a folha fina está crescendo mais rápido que o tecido a granel. Uma possibilidade é que a folha fina apenas se dobre nas duas direções, então, para formar algo, que se parece com a superfície de um balão, por exemplo, relativamente suave. Mas se a folha faz isso, então ele vai ter que puxar muito o substrato, porque ele tem que sair, e assim, isso é energeticamente muito caro.

E assim, há outra solução em potencial. E a outra solução potencial é ter um número muito maior de pequenas curvas. Então, você pode ver agora, que eu vou ter curvas em uma direção e eu vou ter curvas na outra direção, curvas afiadas. E entre as curvas afiadas, a folha permanece plana. E a consequência é essa estrutura.

NARRADOR: Este arranjo é chamado de dobra Miura-ori. A árvore de faia domina esta dobra inúmeras vezes a cada primavera.

Em geral, as plantas dobram quando precisam espremer uma grande superfície em um pequeno compartimento, mas não são apenas plantas. Animais e insetos também evoluíram para usar as técnicas de dobradura.

Considere o besouro de chifre tailandês. Um padrão semelhante ao Origami permite que suas asas se desenrolem para voar.

L. MAHADEVAN: Eu desdobro isso. E, Voilá! Então, há essa asa bem grande e muito bonita, e eu vou te mostrar ao contrário. A mesma coisa quando eu dobrá-la, ela se esconde, e então ela é embalada. Então, esta é a maneira como a asa foi dobrada, e então ela se abriu, algo assim; muito bonita.

NARRADOR: Parece que a evolução tem favorecido padrões dobráveis semelhantes ao Origami repetidamente. Eles estão mesmo presentes no corpo humano, incluindo a superfície do cérebro.

De volta ao Laboratório de Mahadevan, um experimento está em andamento para imitar o processo de crescimento do cérebro. Um modelo é feito de gel, que tem um núcleo interno e uma casca externa. Quando imerso em líquido, a camada externa se expande mais rápido. No entanto, por ser retida pelo núcleo interno, a camada externa enruga e dobra.

O experimento mostra que os padrões dobráveis encontrados no cérebro são criados quando diferentes camadas crescem em velocidades diferentes. A dobra permite que o cérebro aumente sua área de superfície e capacidade dentro do crânio.

ERIK DEMAINE: É meio irritante, porque a natureza faz isso tão bem. Temos tanta dificuldade em dobrar, e a natureza faz isso o tempo todo. É nosso desafio reproduzir isso de uma forma projetada, mas temos uma espécie de exemplo brilhante de que isso pode ser feito.

NARRADOR: Esse desafio está sendo assumido por cientistas como David Baker, cujo trabalho mostra como dobrar é fundamental para a vida.

Dobrando-se é como o DNA, a molécula de 1,80 m de comprimento da hereditariedade, se encaixa dentro do núcleo de uma célula. O DNA ao se desdobrar inicia um processo que permite que os genes produzam proteínas, as moléculas que mantêm nossos corpos funcionando. E como uma proteína se dobra em uma forma específica determina como ela agirá — como um hormônio, talvez, ou um anticorpo que combate doenças.

University of Washington biochemists David Baker and Neil King show off molecular models of proteins at UW’s Institute for Protein Design. (UW IPD Photo / Ian Haydon)

DAVID BAKER (University of Washington, The Baker Lab): As proteínas mediam essencialmente todos os processos importantes em seu corpo, desde a digestão de alimentos, até o gerenciamento das correntes elétricas que são responsáveis pelo pensamento, pelo movimento, pela fabricação de moléculas dentro de você. Então, basicamente, tudo o que está acontecendo no nível molecular em seu corpo está sendo mediado por proteínas.

Vídeos de David Baker:

NARRADOR: Quando uma proteína se dobra corretamente, ela se encaixa como “uma chave em uma fechadura” (outras proteínas) e inicia um processo biológico na célula. Proteínas desdobradas não podem funcionar e podem desencadear doenças.

Nossos corpos têm cerca de 100.000 proteínas, construídas a partir de 20 aminoácidos e acopladas em um número aparentemente infinito de maneiras. Elas são muitas vezes visualizadas (representadas) como fitas coloridas.

DAVID BAKER: Mas as proteínas não ficam como essas longas cadeias retas de aminoácidos. Em vez disso, elas se dobram em estruturas muito elaboradas e precisas. E ter essas estruturas precisas é fundamental para como elas funcionam, então, esse processo de dobradura é absolutamente essencial para a vida.

NARRADOR: O Laboratório de Baker (Projeto FoldIt) está tentando resolver um dos problemas mais difíceis da biologia: prever como as longas cordas de aminoácidos se dobram em proteínas tridimensionais. De certa forma, é semelhante ao Origami.

David Baker

Vídeo: https://www.sciencemag.org/news/2016/07/protein-designer-aims-revolutionize-medicines-and-materials#

AARON CHEVALIER (University of Washington): Então, aqui você tem um pedaço de papel Origami que foi dobrado e desdobrado. E o que você não sabe vendo esses vincos é qual será a sua forma final. E assim, isso é o que chamamos, no mundo da engenharia de proteínas, um problema de previsão de estrutura. Precisamos ser capazes de prever essa estrutura. E o que você faz é ser capaz de simular a dobra da proteína, ou, neste caso, o papel Origami, para ver que forma ele vai ter no final. Então, no mundo da previsão, este padrão de dobra ou padrão de vinco, resultará neste grou de papel.

Artist impression of designed mini-protein binders

NARRADOR: Para descobrir a forma de uma proteína, Baker toma sua sequência de aminoácidos e usa um programa de computador, chamado Rosetta, para procurar todas as maneiras que a sequência pode dobrar.


AARON CHEVALIER: Realmente são forças físicas que estão acontecendo nessas moléculas que fazem com que elas se dobrem. E o número de maneiras que você pode dobrar uma proteína está em milhões ou bilhões ou trilhões. O número é enorme. Mas há realmente apenas algumas respostas corretas distintas, então, você tem que tentar um monte de diferentes dobras e sequências, até chegar à solução correta.

NARRADOR: O objetivo é encontrar o estado de energia mais estável ou mais baixo de uma proteína.

DAVID BAKER: Uma vez que elas estejam naquele estado de menor energia, elas ficam lá. Esse é o estado em que eles são estáveis. Então, se você pegar uma proteína, e você desmontá-la usando produtos químicos ou forças e então você soltá-la, ela vai voltar à sua forma novamente.

NARRADOR: Determinar a estrutura de uma proteína requer uma enorme capacidade computacional, então o Rosetta tem um aplicativo de “crowdsourcing (colaboração coletiva)” que conta com a ajuda de computadores em todo o mundo. Há até um jogo, chamado Foldit, que desafia os jogadores em todo o mundo a resolver quebra-cabeças de dobraduras de proteínas. Até agora, o Laboratório de Baker identificou a estrutura de cerca de 600 das 15.000 famílias de proteínas conhecidas.

DAVID BAKER: O interessante, agora, é que podemos construir novas proteínas da mesma forma que construímos pontes ou qualquer outra coisa no mundo moderno, do zero, exatamente para o propósito que queremos.

NARRADOR: Novas proteínas poderiam gerar novas drogas para atacar patógenos e combater doenças. Um dos primeiros projetos de Baker foi acoplar uma proteína à superfície do vírus da gripe.

DAVID BAKER: Há algumas regiões do vírus da gripe onde, se você pode “atacá-lo”, ele tem um “calcanhar de Aquiles”. Você pode impedi-lo de matar pessoas e animais. E então pensamos que este seria um desafio muito bom. Poderíamos projetar uma proteína que se dobrasse de tal forma que tivesse uma forma complementar à do vírus da gripe?

AARON CHEVALIER: Como as proteínas se ligariam ao vírus da gripe (influenza) de forma a inibi-lo de invadir células, elas o bloqueariam em um estado inativo; apenas com o ato de acoplamento. Então, seria, basicamente, uma proteína que vinha e se encaixava em outra proteína de uma forma muito específica.

NARRADOR: No computador, eles experimentam formas proteicas que podem se ligar ao vírus da gripe e desativá-lo. É essencialmente como começar com uma chave em branco, e cuidadosamente arquivar as ranhuras certas para que ela se encaixe na fechadura.

DAVID BAKER: Então, aqui, sabemos que forma queremos fazer. E nesse ponto, isso ainda é ficção científica. O que você tem é uma sequência de aminoácidos no computador, e você realmente não sabe se ele realmente faz o que você projetou que ela fizesse. Mas a beleza disso é que podemos muito rapidamente produzir essa proteína no laboratório e ver se ela funciona.

NARRADOR: Descobrir isso envolve uma série complicada de passos. As sequências de aminoácidos são colocadas em bactérias, que produzem em massa as novas proteínas. Em seguida, as novas proteínas são misturadas com o vírus da gripe. Em seguida, uma máquina especial avalia por meio de um “classificador” para identificar quais proteínas se ligam mais firmemente ao vírus. Elas são as únicas que fazem isso acima da linha (média).

DAVID BAKER: Este foi o grande momento. E o que vimos aqui é que há um número bastante substancial delas que estão se ligando ao vírus da gripe, o que é muito emocionante.

NARRADOR: Finalmente, a proteína vencedora é selecionada e, em seguida, construída, um aminoácido de cada vez, para fazer uma nova droga.

DAVID BAKER: Isto é uma representação da estrutura tridimensional do vírus. Cada uma dessas coisas redondas é um átomo, para lhe dar uma noção de escala. Então aqui está o vírus da gripe. Aqui está a proteína projetada. E eles se encaixam perfeitamente, como uma fechadura e uma chave.

  • Jogue o FoldIt para ajudar a combater vírus (vídeo):

NARRADOR: Os camundongos receberam a nova proteína, antes ou logo após serem expostos ao vírus da gripe.

DAVID BAKER: E eles não adoeceram. Agora, obviamente, os humanos são muito diferentes dos ratos. Mas o que temos agora é uma prova do conceito de que o design de proteínas pode ser eficaz, pelo menos em camundongos.

NARRADOR: Não está claro como nosso sistema imunológico reagirá a essas novas proteínas. Mas o Laboratório de Baker está avançando, desenvolvendo proteínas que tem o vírus HIV como alvo, para quebrarem glúten no estômago ou entregar drogas à células cancerosas. Para Baker, o Origami protéico é o futuro do desenvolvimento de drogas.

Em todo o mundo, o potencial das dobraduras está inspirando a pesquisa médica. No Japão, Kaori Kuribayashi está tentando tornar dispositivos médicos mais simples e melhores. Ela está colaborando com uma equipe de cientistas para melhorar um implante cirúrgico usado para tratar doenças cardíacas, o stent.

Ele é colocado dentro de uma artéria entupida para manter o sangue fluindo. Para abrir a artéria, o stent deve ser inserido em um balão inflável. Kuribayashi viu uma solução mais fácil e potencialmente mais segura.

Nya studier om stentar rubbar inte kärlkirurgins plats - Hjärta ...

KAORI KURIBAYASHI-SHIGETOMI (Hokkaido University): Então, usei a técnica de Origami para produzir um novo tipo de enxerto de stent, mas em vez do tubo normal, eles têm esse padrão. Portanto, podemos dobrá-lo muito compactamente, e então podemos colocar dentro de um corpo para dar suporte a vasos enfraquecidos.

Fold Everything Feature Summary

NARRADOR: Dessa forma, nenhum balão é necessário para ampliar a artéria. O Stent (Estente) Origami, feito de um metal especial, se desdobra automaticamente quando exposto ao calor do corpo. Então, uma pequena folha de metal, dobrada da maneira certa, poderia um dia salvar vidas.

Além da pesquisa médica, projetos de Origami também estão sendo usados na Engenharia, para projetar pequenos drones e microrobôs. Construir tais máquinas miniaturizadas representa um conjunto único de desafios.

ROBERT WOOD (Harvard University): No início, quando estávamos pensando em como realmente construir essas classes de robôs, não há realmente nenhum método de fabricação que seria favorável aos tipos de escalas que estamos falando. Você sabe, coisas que são do tamanho de um inseto ou menores ainda em tamanhos de algumas características? E dobrar acabou por ser um método fantástico para criar esses dispositivos de pequena escala.

NARRADOR: No Laboratório de Robótica da Universidade de Harvard, os estudantes primeiro projetam robôs maiores, usando folhas de papelão ou plástico e os princípios do Origami.

DANIEL AUKES (The Polytechnic School at Arizona State University): E assim, Origami é um ótimo ponto de partida para entender como algo vai se mover, como algo vai se dobrar, e então nós começamos a quebrar todas as regras, porque agora podemos começar a cortar; podemos remover o material; podemos conectá-lo de diferentes maneiras.

NARRADOR: Combinando dobras e cortes, os robôs podem “saltar” a partir de folhas planas de material. Uma vez que o design seja aperfeiçoado, a escala do robô é reduzida. É uma abordagem que simplifica a construção.

ROBERT WOOD: Se pensarmos, por exemplo, na montagem de um carro, você saberia, quantos milhares ou dezenas de milhares de componentes serão usados para isso? Agora, se eu quiser montar algo talvez não tão complicado, mas de complexidade semelhante, na escala de um inseto ou ainda menor, você não vai ser capaz de usar a abordagem de “porcas e parafusos”. Você não será capaz de reunir e acoplar centenas ou milhares de componentes diminutos.

NARRADOR: Muitos dos microrobôs podem se desdobrar automaticamente. À medida que a temperatura sobe, esta folha se transforma em um objeto tridimensional. Os componentes podem ser pré-cortados e, em seguida, dobrar-se por conta própria, como este material, que pode lembrar sua forma.

ROBERT WOOD: No nosso caso, usamos dobraduras como meio de automontagem. Isso permite que você faça as coisas mais rápido, mais preciso. O mais rápido realmente é muito importante, não apenas por razões óbvias, mas se você leva semanas para desenvolver um único protótipo, então você fica muito conservador em seus projetos. Mas, se pudermos passar por protótipos em questão de horas ou mesmo se for um dia, então podemos construir todos os tipos de “loucuras” e experimentar todos os tipos de projetos diferentes e não se preocupar com fracassos.

NARRADOR: A pesquisa produziu uma série de microrobôs e drones com diferentes habilidades. Aqui, uma corrente elétrica aquece as dobradiças e o dispositivo se desdobra. No futuro, os sensores inteligentes permitirão que essas máquinas assumam papéis úteis.

ROBERT WOOD: Eles são pequenos, são relativamente baratos, e são ágeis, então talvez eles possam ser usados em locais de desastres e entrar, digamos, em prédios colapsados e tentar encontrar sobreviventes. Essa é certamente uma aplicação emocionante.

NARRADOR: Com uma fonte de energia a bordo, este drone voador poderia ser usado para vigilância, monitoramento de culturas na agricultura, clima ou avaliação de áreas atingidas por desastres. Para economizar energia, ele pode usar forças eletrostáticas para descansar em superfícies próximas.

ERIK DEMAINE: Tradicionalmente, você pensa em construir robôs a partir de muitas peças 3D realmente complicadas e sofisticadas. E Origami meio que simplifica isso para este meio comum de, “O que podemos fazer a partir de uma folha plana de material?

E, também, ter tudo conectado em uma grande folha, simplifica muitos dos problemas de apenas manter o robô unido, dando-lhe integridade estrutural. E isso pode mudar a forma como fabricamos objetos.

NARRADOR: À medida que o Origami se move para a indústria, os engenheiros estão explorando o potencial das dobraduras em termos de força pura.

Na Alemanha, Yves Klett está criando materiais inovadores que são leves e surpreendentemente fortes.

YVES KLETT (University of Stuttgart): Estávamos procurando novos materiais leves que pudessem ser usados para construção, e encontramos essas estruturas, inspiradas em Origami. Eles são ideais para fornecer suporte estrutural em uma construção tipo sanduíche, como esta. Há duas camadas de superfície, e no meio, temos um núcleo dobrado de Origami. E esta estrutura é tremendamente estável. Também é muito leve. Ele pode suportar cargas muito altas, então agora eu não posso mais esmagá-la. O núcleo sozinho não poderia suportar a pressão, mas em combinação com as camadas, cria uma estrutura poderosa.

NARRADOR: Para testar sua força, Klett vai ver se seu carro pode esmagá-lo. Uma seção que pesa cerca de uma onça (28 gramas) pode suportar o peso de uma tonelada.

Klett está agora testando projetos de Origami usando materiais duráveis e de alta tecnologia, como papel Kevlar, compostos de fibra de carbono, bem como folhas de plástico e alumínio. Ele espera que a Engenharia de Origami possa dar a esses materiais novas propriedades, úteis para a indústria.

Para saber mais, leia o artigo: https://www.sfb1244.uni-stuttgart.de/en/project/c-integrative-components/c01-kinematically-effective-sandwich-elements-with-structural-physical-functionality/

YVES KLETT: Aqui, temos uma estrutura em sanduíche que pode ser usada na seção principal de um avião. O casco tem um raio de seis pés (1,83 m), e este núcleo se integra perfeitamente na geometria. Assim temos uma estrutura muito leve, mas muito estável. Podemos garantir que não há água acumulada no casco, e há espaço para integrar cabos elétricos e ar condicionado entre as dobras.

NARRADOR: Klett acredita que estruturas baseadas em Origami poderiam revolucionar o design de aeronaves, reduzindo drasticamente o peso de um avião. Isso reduziria significativamente o consumo de combustível.

Ele também espera que esses novos materiais possam um dia fornecer uma alternativa ao concreto ou aço para a construção verde.

Mas há um problema que precisa ser resolvido: as máquinas podem cortar as linhas do padrão de vincos, mas é difícil para elas, fazer dobras complexas. Até recentemente, Klett usava um molde básico para acelerar o processo. Para tornar a produção ainda mais rápida, ele está testando uma nova máquina que automatiza completamente a dobradura. É um passo importante para aplicar o Design de Origami em escala industrial.

RoboFold, uma empresa em Londres, trouxe outra solução. Eles modificaram robôs da indústria para fazer algo antes muito difícil — dobrar metal em estruturas curvas. Esta tecnologia pode dobrar o metal em formas extremamente precisas, como o corpo curvo deste carro modelo.

ERIK DEMAINE: Nos últimos anos, tem havido muito mais excitação sobre as aplicações de engenharia e ciência do Origami, você pode fazer estruturas práticas que fundamentalmente mudam sua forma: ou ir de uma coisa plana ou muito fortemente dobrada e ser capaz de implanta-la em um tamanho diferente ou mudar completamente sua estrutura, mudar de uma forma para outra, apenas dobrando. Dobrar nos fornece uma maneira de pensar sobre a transformação de forma.

NARRADOR: Mas como você projeta produtos práticos que possam mudar sua forma?

É um desafio que os estudantes de engenharia da Universidade Brigham Young estão enfrentando, pois aplicam padrões de Origami a novas invenções com aplicações do mundo real.

LARRY HOWELL (Brigham Young University): Muitas pessoas, quando ouvem “Origami”, pensam: “Eu fiz Origami quando estava na segunda série. Por que esses engenheiros estão fazendo pesquisa em Origami?” Mas quando você olha do ponto de vista da Engenharia, há muito que podemos aprender, são novos níveis de compactação, novos tipos de movimentos. A complexidade de todas essas coisas se unindo nos dá o potencial de criar produtos totalmente novos que antes não eram possíveis.

1901-36 0322 1901-36 ME Larry Howell Lab – Developable Mechanisms January 18, 2019 Photo by Jaren Wilkey/BYU © BYU PHOTO 2019 All Rights Reserved photo@byu.edu (801)422-7322

NARRADOR: Origami obtém seu movimento a partir da dobra de peças flexíveis em vez de algo mais tradicional como uma dobradiça ou rolamento. Claro, é muito mais fácil ver como isso funciona com papel, que pode mudar sua forma com facilidade.

LARRY HOWELL: O papel é um material incrível, mas, infelizmente, não é realmente o material que queremos usar para a maioria dos produtos de engenharia. Precisamos de coisas mais duráveis e adequadas às aplicações que eles vão entrar. Então, isso se torna um verdadeiro desafio. Mas, como poderemos ter esses mesmos tipos de movimentos em outros materiais, sem quebrar?

NARRADOR: Para isso, matemáticos e engenheiros criaram um novo campo chamado “Origami Espesso“. Usando cortes convencionais, camadas ou dobradiças, material rígido ou denso pode ser dobrado, uma técnica que usa Origami para fazer algo que pode até parar balas.

Vídeo: https://www.youtube.com/watch?time_continue=15&v=P_ezsOeX5mQ&feature=emb_logo

Começando pelo papel, os alunos dobram modelos usando um padrão clássico de Yoshimura. E produzem um escudo que se desdobra facilmente e rapidamente. Nos primeiros protótipos, parafusos ou fita mantém os painéis juntos. Então, era hora de fazer uma barreira realmente à prova de balas. Eles começam com Kevlar.

LARRY HOWELL: Kevlar vem como um tecido, e precisamos de 12 camadas de Kevlar para parar uma barragem de balas. Mas também precisamos que ele seja flexível o suficiente para que ele possa se mover, e duro o suficiente para que ele possa se sustentar por conta própria. Então, nós adicionamos estes painéis de alumínio leve e plástico. Mas os painéis não estão fornecendo nenhuma proteção balística. É o Kevlar.

NARRADOR: Os painéis, colados ao Kevlar, formam o padrão. São os espaços entre os painéis que permitem que a barreira se dobre. Camadas de nylon preto e balístico protegem o Kevlar dos elementos.

O primeiro tiro vem de uma pistola 9 mm. A força pode furar a barreira e derrubá-la, mas não o faz. Em seguida vem um Magnum .357, seguido por um Magnum .44, a arma mais poderosa usada por policiais. A barreira se mantém; apenas uma rifle de metralhadora pode furá-lo, pelo menos por enquanto.

LARRY HOWELL: Nossos colegas da Homeland Security nos dizem o quão valioso seria ter uma barreira balística que pudesse ser implantada muito rapidamente e ser muito mais utilizável do que esses grandes, maciços e pesados escudos que eles usam agora.

NARRADOR: Origami Espesso também está encontrando um lugar no espaço sideral, como uma matriz solar.

ROBERT LANG: O espaço é um dos lugares onde o Origami tem um grande papel a desempenhar, porque você tem esse problema de algo que precisa ser pequeno, quando ele sobe para o espaço — ele precisa caber dentro de um foguete — e então, uma vez que chegue ao seu destino no espaço , precisa ser maior. E assim, quando você tem esses dois requisitos, a dobradura fornece uma solução muito boa para fazer a transição entre esses dois estados.

NARRADOR: Em desenvolvimento é uma maneira revolucionária de impulsionar as missões da NASA, baseadas em um padrão de flasher Origami. Uma matriz solar envolvendo um foguete durante o lançamento e se abre no espaço.

LARRY HOWELL: Então, este foi um grande desafio, passar de um padrão de Origami de papel para uma matriz solar que cobriria seis faixas de tráfego e forneceria mais do que o dobro da quantidade de energia que todos os painéis solares da Estação Espacial Internacional, combinados.

NARRADOR: Os painéis solares de silício comporão a matriz. Eles serão colados a um filme flexível chamado Kapton. Para reduzir o número de peças que poderiam quebrar no ambiente rude do espaço, circuitos elétricos serão impressos diretamente no filme. 01:45:36

LARRY HOWELL: No final, é difícil para alguém de fora ver o Origami dentro dele, mas ele está realmente lá. É que nosso objetivo era realizar o produto final, não necessariamente tornar o Origami óbvio.

NARRADOR: Os princípios do Origami podem até mesmo ajudar os cientistas a entender a natureza do universo?

Na Universidade Johns Hopkins, astrofísicos estão estudando a distribuição da matéria no cosmos. Mark Neyrinck acredita que um modelo de Origami pode ajudar a representar essa distribuição.

Só podemos observar a matéria visível, mostrada aqui: o material que forma estrelas, planetas e galáxias inteiras. Mas isso é apenas parte do nosso universo. Há também uma substância misteriosa chamada “matéria escura” que é invisível. Astrofísicos a detectaram apenas indiretamente, mas muitos acreditam que ela forme o esqueleto oculto do nosso universo.

MARK NEYRINCK (Johns Hopkins University): A matéria escura começou a se acumular em aglomerados, quase imediatamente após o Big Bang. E não teríamos tanta estrutura como vemos no Universo hoje, se não houvesse essa matéria escura. A matéria normal começou a formar estruturas baseadas nas bases, o esqueleto que a matéria escura estabeleceu imediatamente. Então, a matéria escura é realmente a base para compreender as estruturas que vemos hoje.

NARRADOR: De acordo com Neyrinck, a matéria escura invisível se dobra como Origami. A gravidade “reúne e amassa a folha de matéria escura”, em lugares onde a matéria comum é desenhada, para formar galáxias e estrelas. Pregas na folha, chamadas filamentos, emanam de cada galáxia, alinhando sua rotação com galáxias vizinhas em um padrão semelhante a uma dobra de torção de Origami.

Three individuals on the Origami Cosmic Web team talk while examining folded tracing paper

MARK NEYRINCK: Em uma dobra de torção, você tem um pequeno polígono, então, digamos, um triângulo. Então, aqui temos um triângulo, e ir do estado desdobrado para o estado dobrado implica torcer esse triângulo.

Mesmo que esta seja uma estrutura de matéria escura, ela cria matéria regular para isso. Então, a galáxia, aqui, se formaria aqui. É uma aproximação forte de como o universo se forma, como um modelo de Origami.

Em particular, a forma como os vários elementos da teia cósmica estão girando são muito explícitas neste modelo. Vemos no universo que galáxias vizinhas tendem a estar girando na mesma direção, e isso realmente se relaciona com este modelo de Origami.

A close up of a student's hands carefully folding glassine paper over top a light box.

NARRADOR: Neyrinck agora está trabalhando com os alunos para criar um modelo mais complexo que captura como as dobras de matéria escura se cruzam para construir a teia cósmica.

Os outros pontilhados no papel representam as galáxias, como observado pelos telescópios. Sempre que o papel está se sobrepondo, há um acúmulo de matéria escura e, portanto, um maior número de galáxias. A astrofísica está sendo enriquecida com uma nova visão de um universo dobrado, inspirado na antiga arte do Origami.

ROBERT LANG: Então, pensando no Origami e na forma como generalizamos o Origami em espaços matemáticos mais amplos, podemos aprender coisas que se aplicam ao mundo real em que vivemos. Você pensaria que, como um campo de investigação, Origami teria sido jogado fora há muito tempo, mas a verdade é justamente o oposto. O Origami está tão vibrante e crescendo como sempre. Além disso, à medida que olhamos para o futuro, não há limites no horizonte do que é possível, seja artisticamente ou nas aplicações do design inspirado no Origami.

NARRADOR: De volta ao Instituto de Tecnologia de Massachusetts, um esforço de 10 anos está chegando ao fim. Erik Demaine analisa os detalhes finais da prova que está prestes a publicar com Tomohiro Tachi. Foram necessárias 60 páginas para escrever um algoritmo universal, chamado Origamizer, que mostra os passos matemáticos precisos necessários para dobrar uma superfície plana em qualquer objeto tridimensional.

Como prova matemática, Origamizer é um avanço teórico, mas existem aplicações do mundo real?

ERIK DEMAINE: Sim, é meio alucinante. Por exemplo, talvez você seja um engenheiro, você projetou um robô em seu computador, e você quer construí-lo; ou você é um artista, e você esculpiu um modelo de um rosto, e você quer traduzi-lo em papel, Origamizer lhe dá uma maneira de fazer isso. Então, é realmente emocionante. Você pode fazer qualquer coisa dobrando.

NARRADOR: De acordo com Demaine e Tachi, o Origamizer traduzirá um modelo 3D em um modelo preciso de como dobrar qualquer objeto de uma folha de material. O padrão de vinco gerado pelo computador pode então ser impresso em papel. Dobre todas as linhas e, eventualmente, você terá a desejada estrutura 3D.

No futuro, Demaine e Tachi acreditam que a dobradura também possa ser automatizada, mas tudo se resume a trabalhar a matemática.

ERIK DEMAINE: A coisa boa sobre a abordagem Origami de uma perspectiva matemática é que você começa no tipo de núcleo do que é possível, apenas, tipo, verdades universais para qualquer tipo de dobradura. Não importa se você está dobrando papel ou uma chapa de metal ou o que seja. Há alguns princípios fundamentais que nunca mudam, e você tem que seguir essas regras. E assim, se você mostrar que algo é impossível matematicamente, então não vai ser possível, não importa em que material você tente traduzi-lo.

NARRADOR:

O Origami está nos ajudando a entender o universo, desde a vastidão do espaço sideral até o núcleo de nossas células. A jornada começou com uma mistura única de arte e ciência. Como imaginar que simplesmente dobrar uma superfície plana nos ajudaria a descobrir o mundo ao nosso redor? No entanto, parece que, de qualquer nível que observamos o universo, a lógica das dobraduras está em ação!

Créditos:

  • ESCRITO, PRODUZIDO E DIRIGIDO POR Sarah Holt
  • DIRIGIDO POR FOR FACT+FILM François-Xavier Vives
  • PRODUZIDO PORFOR FACT+FILM Antoine Bamas; Michael Wolff; Elmar Bartlmae
  • EDITADO PORSarah Holt; Mark Mossmann; François-Xavier Vives
  • DIRETORES DE FOTOGRAFIA Emmanuel Roy; Stephen McCarthy
  • NARRADO POR Jamie Effros
  • ANIMAÇÃO Mitch Butler
  • A NOVA production by Hold Productions LLC for WGBH Boston.
  • © 2017 La Compagnie des Taxi-Brousse, Leonardo Film and fact+, France Télévisions and 3sat and the WGBH Educational Foundation. All rights reserved
  • Additional Material The Origami Revolution © 2017 WGBH Educational Foundation. All rights reserved
  • Origami Code , Copyright La Compagnie des Taxi-Brousse, Leonardo Film, fact+, France Télévisions and 3sat.
  • This program was produced by WGBH, which is solely responsible for its content.
  • Original funding for this program was provided by Cancer Treatment Centers of America, the David H. Koch Fund for Science, the Montgomery Family Foundation, and the Corporation for Public Broadcasting.
  • IMAGE: Image credit: (solar array) © NASA
  • CONVIDADOS: Daniel Aukes , David Baker, Aaron Chevalier, Erik Demaine, Vincent Floderer, Larry Howell, Yves Klett, Kaori Kuribayashi-Shigetomi, Robert Lang, L. Mahadevan, Mark Neyrinck, Tomohiro Tachi, Robert Wood.

2 Comments on “A Revolução Origami (The Origami Code)”

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