Tại Đại học Michigan (UoM), một cách tiếp cận mang tính cách mạng trong kỹ thuật kết cấu đang dần được hình thành, từng nếp gấp một. Các kỹ sư ở đây đã khai thác sức mạnh của nghệ thuật gấp giấy origami để tạo ra những cấu trúc không chỉ chắc chắn mà còn linh hoạt, có khả năng chịu tải trọng đáng kể. Khái niệm mới này, được gọi là “Hệ thống Cấu trúc Origami Có Module và Độ Dày Đồng Nhất”, là một bước đột phá lớn trong cách chúng ta sử dụng vật liệu để xây dựng các công trình, từ cầu cống cho đến bến xe buýt, với sự hiệu quả và linh hoạt không ngờ.
Nguyên lý hoạt động như thế nào?
Nhóm nghiên cứu tại UoM đã vận dụng các nguyên lý origami để gấp các tấm vật liệu dày, đồng nhất, thành các module nhỏ gọn. Những module này có thể được triển khai nhanh chóng để tạo thành các cấu trúc khác nhau, mở ra khả năng cách mạng hóa phương pháp xây dựng trong các môi trường khó khăn – từ khu vực thiên tai đến không gian vũ trụ. Hệ thống này không chỉ có khả năng chịu tải trọng lớn mà còn dễ dàng vận chuyển và lắp ráp, mang đến những khả năng kiến trúc mới mẻ.
Điều cốt lõi trong kỹ thuật lấy cảm hứng từ origami của UoM, nằm ở việc ứng dụng khái niệm về độ dày đồng nhất trong vật liệu. Trong khi origami truyền thống chủ yếu sử dụng các vật liệu mỏng, dẻo, khó có thể chịu được tải trọng nặng, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Evgueni Filipov đã tạo ra một bước ngoặt lớn bằng cách thay đổi thiết kế origami để sử dụng vật liệu có độ dày đồng đều. Điều này đảm bảo khi cấu trúc chịu tải, lực sẽ được phân bố đều, giảm thiểu các điểm yếu và nâng cao khả năng chịu lực của kết cấu.
Một yếu tố then chốt khác của phát minh này là sự ra đời của các cơ chế khóa chắc chắn, giúp duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc sau khi đã triển khai. Những cơ chế này rất quan trọng để đảm bảo các cấu trúc lấy cảm hứng từ origami vẫn ổn định và an toàn dưới tải trọng. Các thiết bị khóa ngăn không cho các tấm gấp bị mở ra hay dịch chuyển dưới sức nặng, điều này rất quan trọng đối với việc sử dụng trong thực tế, nơi sự an toàn và độ tin cậy là yếu tố tiên quyết.
Đi cùng với đó là sự hỗ trợ mạnh mẽ từ các công cụ mô phỏng tiên tiến, giúp nhóm nghiên cứu mô phỏng và dự đoán cách thức các cấu trúc sẽ hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Đại học Michigan đã phát triển một công cụ phần mềm đặc biệt có tên là Trình mô phỏng Đa vật lý Origami Hoạt động Theo trình tự (SWOMPS). Công cụ mạnh mẽ này giúp các nhà nghiên cứu lên kế hoạch và hoàn thiện các thiết kế một cách tỉ mỉ, đảm bảo mỗi nếp gấp và khóa đều đóng góp vào độ bền vững và chức năng tổng thể của cấu trúc.
Ứng dụng thực tiễn và tiềm năng tương lai
Kỹ thuật lấy cảm hứng từ origami của UoM mang đến tiềm năng lớn cho các ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực. Bằng cách đưa nguyên lý origami vào thiết kế kết cấu, những đổi mới này mở ra khả năng xây dựng cơ sở hạ tầng linh hoạt, hiệu quả và đáp ứng nhanh hơn.
Một trong những ứng dụng hấp dẫn nhất của công nghệ này là trong các tình huống ứng phó khẩn cấp và cứu trợ thiên tai. Khả năng gấp gọn và mở rộng thành kích thước đầy đủ nhanh chóng ngay tại chỗ của các cấu trúc lấy cảm hứng từ origami, là lợi thế đặc biệt trong các tình huống thiên tai, khi thời gian và không gian là yếu tố quyết định. Ví dụ, một cây cầu có thể được vận chuyển như một module gọn nhẹ và sau đó nhanh chóng được triển khai tại chỗ để nối lại các khu vực giao thông bị cô lập do thiên tai như lũ lụt hay động đất.
Nghiên cứu cũng tìm hiểu khả năng áp dụng các cấu trúc này trong những môi trường cực đoan khác, như ở các khu vực Bắc Cực, sa mạc, và thậm chí là trong không gian vũ trụ. Khả năng vận chuyển gọn nhẹ và lắp ráp nhanh chóng của các cấu trúc origami khiến chúng trở nên lý tưởng cho những môi trường này, nơi các phương pháp xây dựng truyền thống không khả thi hoặc quá tốn kém.
Hơn nữa, khi các khu vực đô thị tiếp tục phát triển và biến đổi, nhu cầu về cơ sở hạ tầng mô-đun và linh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết. Các thiết kế lấy cảm hứng từ origami có thể được sử dụng cho các bến xe buýt tạm thời, quầy kiosk hay thậm chí các cầu đi bộ nhỏ trong khu đô thị. Những cấu trúc này có thể di chuyển hoặc tái cấu trúc khi cảnh quan đô thị thay đổi, mang lại sự linh hoạt tuyệt vời trong quy hoạch và phát triển thành phố.
Các ứng dụng này làm nổi bật tiềm năng biến đổi của các cấu trúc lấy cảm hứng từ origami, điều này không chỉ dừng lại ở những khái niệm lý thuyết mà còn là những giải pháp thực tiễn, có thể triển khai, và có khả năng thay đổi cách chúng ta tiếp cận xây dựng và lắp ráp trong nhiều hoàn cảnh khác nhau. Sự phát triển và mở rộng của công nghệ này sẽ mở ra những khả năng mới trong việc ứng dụng nó ở những lĩnh vực vượt xa những gì chúng ta từng nghĩ đến.
Hiệu Quả và Ý thức về Môi Trường
Các cấu trúc lấy cảm hứng từ origami không chỉ đem lại những lợi thế đáng kể về mặt môi trường mà còn nâng cao hiệu quả trong ngành Xây dựng và Cơ sở hạ tầng (AEC). Bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu, các cấu trúc này giúp giảm thiểu chất thải và có thể cắt giảm lượng carbon phát thải trong quá trình xây dựng. Thiết kế nhẹ nhàng của chúng giúp giảm chi phí vận chuyển và tiết kiệm năng lượng. Bên cạnh đó, khả năng lắp ráp và tháo dỡ nhanh chóng không chỉ làm giảm chi phí lao động mà còn hạn chế tác động đến môi trường, đồng thời thúc đẩy các phương pháp xây dựng bền vững hơn.
Không chỉ sáng tạo về mặt thiết kế, các cấu trúc lấy cảm hứng từ origami còn đem lại nhiều lợi ích về mặt môi trường và hiệu quả kinh tế. Nhờ tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu, những cấu trúc này giúp giảm thiểu chất thải và tiết kiệm tài nguyên. Thiết kế gọn nhẹ cũng giúp giảm chi phí vận chuyển và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Hơn nữa, quá trình lắp ráp và tháo rời nhanh chóng không chỉ giảm chi phí lao động mà còn hạn chế sự gián đoạn môi trường, hướng tới các phương pháp xây dựng bền vững hơn.
Cùng với đó, tính tái sử dụng cao của các cấu trúc origami góp phần thúc đẩy chuyển đổi sang nền kinh tế tuần hoàn trong ngành Xây dựng và Cơ sở hạ tầng (AEC), kéo dài tuổi thọ công trình và giảm bớt nhu cầu sử dụng vật liệu mới. Điều này khuyến khích sự thay đổi trong cách tiếp cận các thiết kế mô-đun và thích ứng, mang lại những cải tiến trong xây dựng mà không làm tổn hại đến môi trường.
Kết luận
Bằng cách kết hợp nghệ thuật cổ đại của origami với những tiến bộ khoa học hiện đại, những sáng tạo tại Đại học Michigan không chỉ đem lại hiệu quả trong việc sử dụng vật liệu và xây dựng mà còn giúp nâng cao tính bền vững trong ngành xây dựng. Khi các công nghệ này tiếp tục phát triển, việc ứng dụng chúng có thể làm thay đổi toàn diện cách chúng ta tiếp cận xây dựng trong những môi trường khắc nghiệt, ứng phó với các tình huống khẩn cấp và lập kế hoạch cho các công trình tạm thời. Sự kết hợp giữa sáng tạo nghệ thuật và phương pháp khoa học chặt chẽ hứa hẹn sẽ mở ra một kỷ nguyên mới trong ngành xây dựng – kỷ nguyên
của sự linh hoạt, hiệu quả và đồng thời phù hợp với các mục tiêu bảo vệ môi trường của chúng ta.
ALLPLAN là một thành viên của Nemetschek Group.