Майлз Ву нашёл вариант оригами Миура-ори, которое может выдержать вес, в 10 000 раз превышающий его собственный

Сидя в гостиной родительского дома в Нью-Йорке, 14-летний Майлз Ву удивлялся тому, что простой лист бумаги, сложенный по схеме Миура-ори, может выдержать вес, в 10 000 раз превышающий его собственный. В течение более чем 250 часов Ву усердно разрабатывал, складывал и тестировал множество вариантов этой техники — серию мозаичных параллелограммов, которые можно сложить или разложить одним движением, — чтобы найти тот, который можно было бы использовать для создания развёртываемых укрытий в чрезвычайных ситуациях, таких как стихийные бедствия.

«Я сильно удивился тому, какой вес могут выдержать эти простые листы бумаги», — говорит Ву, который в настоящее время учится в девятом классе средней школы Хантер-колледжа в Нью-Йорке.

Ву всегда был очарован древним японским искусством оригами, но серьёзно начал увлекаться им как хобби около шести лет назад. В 2024 году он начал исследовать складывание бумаги не только как творческое занятие. «Я начал читать о том, как различные типы геометрического оригами изучаются и применяются в естественных науках из-за их различных физических свойств», — говорит он.

Хотя оригами существует уже несколько столетий, в области инженерии, медицины, математики и архитектуры к нему проявили глубокий интерес только в 1960-х годах. С тех пор оригами используется в проектировании биомедицинских устройств, таких как стенты и катетеры, а также самосборных роботов.

Ву особенно заинтересовала схема Миура-ори, названная в честь её изобретателя, японского астрофизика Корё Миуры. Эту схему, которая уже используется в авиационной технике, также применяли для изготовления солнечных панелей космических кораблей и спутников. Одним из первых её космических применений стало использование в японском спутнике Space Flyer Unit, запущенном в 1995 году.

Узор из складок и углов, который можно варьировать, создавая множество вариантов, «позволяет сложить действительно большой лист бумаги в очень плоскую, компактную форму, что мне очень нравится», — говорит Ву.

Подросток исследовал Миура-ори, когда ураган Хелен обрушился на Флориду, а в Южной Калифорнии бушевали лесные пожары. «Я подумал, что эти схемы оригами, прочные и складные, можно использовать в качестве аварийных укрытий при стихийных бедствиях — что-то вроде палатки», — объясняет он.

Ву заметил, что существующие конструкции были прочными, простыми в развёртывании или экономичными, но редко обладали всеми тремя качествами одновременно. «Это создаёт проблему в чрезвычайных ситуациях, таких как ураганы или лесные пожары, поскольку развёртываемые укрытия в идеале должны быстро изготавливаться, легко устанавливаться и выдерживать воздействие стихии», — говорит он.

Чтобы проверить, насколько его идея жизнеспособна, Ву протестировал отношение прочности и веса своих оригами, то есть сколько веса они могут выдержать по отношению к собственному весу. Он начал с того, что нарисовал различные варианты Миура-ори с помощью компьютерной программы. Переменными в этих схемах были высота, ширина и углы параллелограммов. Используя три разных типа бумаги — копировальную бумагу, лёгкий картон и плотный картон, — он затем приступил к складыванию каждой из 54 различных вариаций, сделал по две модели каждого варианта и провёл серию из 108 испытаний. Чтобы уменьшить человеческий фактор в своих экспериментах, Ву решил использовать биговальную машину, чтобы точно складывать оригами. После складывания он помещал каждую схему площадью 400 кв. см между ограждениями, расположенными на расстоянии 12 см друг от друга. Чтобы проверить их на прочность, он клал на оригами тяжёлые книги и другие грузы, пока они не ломались.

Ву превратил небольшую гостиную родительского дома в свою личную лабораторию. «В начале экспериментов я предполагал, что самое прочное Миура-ори выдержит только около 22–23 кг и что я смогу сломать фигуры с помощью учебников, которые есть у меня дома», — говорит новатор. Но, к его удивлению, конструкции выдерживали до 90 кг, и книг, чугунных сковородок и других тяжёлых предметов, имевшихся в его доме, оказалось недостаточно, чтобы по-настоящему испытать оригами на прочность. «В конце концов мне пришлось попросить родителей купить 50-фунтовые [22,6 кг] гири», — говорит Ву.

Самый прочный Миура-ори, который испытал Ву, выдерживал вес, превышающий его собственный более чем в 10 000 раз. «Другими словами, это соотношение эквивалентно тому, как если бы нью-йоркское такси выдержало вес более 4000 слонов!» — восклицает он.

Инновация Ву выиграла главный приз в размере 25 000 долларов на конкурсе Thermo Fisher Scientific Junior Innovators Challenge 2025. Этот конкурс, проводимый Обществом науки с 1999 года, — ведущий национальный конкурс в области STEM для учащихся средних школ. Ву был одним из 30 финалистов, вышедших в финальный раунд в Вашингтоне (округ Колумбия), который состоял из командных заданий в области STEM.

«Мы активно ищем будущих научных лидеров нашей страны, — говорит Майя Аджмера, президент и генеральный директор Society for Science и исполнительный издатель её отмеченного наградами журнала Science News. — И Майлз стал победителем номер один».

Судьи были особенно вдохновлены проектами, основанными на личном опыте и влиянии на сообщество. «Он был человеком, который превратил свою давнюю страсть к оригами в серьёзный проект в области строительной инженерии, в рамках которого тестировал десятки конструкций оригами, чтобы измерить их прочность и потенциал», — добавляет Аджмера.

Они также приняли во внимание результаты Ву в командных заданиях, где он применил принципы оригами для создания компонентов подвижного роботизированного манипулятора, продемонстрировав инновационность, адаптивность и умение работать в команде в условиях огромного давления.

«Майлз отличился не только благодаря своим исследованиям, но и благодаря своей креативности и лидерским качествам во время наших соревнований по STEM, — говорит Аджмера. — Я считаю, что это замечательно — взять вековое искусство оригами и использовать его в повседневной инженерной практике».

Глаусио Х. Паулино, инженер из Принстонского университета, изучает, как применение техник оригами может преобразовать плоские материалы в динамические структуры с программируемым механическим поведением. «Проект Майлза — это отличное параметрическое исследование, демонстрирующее использование геометрии в качестве структурного параметра, — говорит он. — Его результаты показывают, что, регулируя размер ячейки и угол сгиба Миура-ори, можно значительно увеличить отношение прочности к весу — это одно из важных свойств, которое инженеры используют для создания практичных развёртываемых систем».

Однако, как отмечает Паулино, для создания функционального укрытия необходимо проделать ещё много работы. Хотя масштабирование исследований Ву по Миура-ори — от домашних экспериментов до полномасштабных укрытий, готовых к стихийным бедствиям, — вполне возможно, оно сопряжено с рядом инженерных требований.

Во-первых, Ву должен рассмотреть возможность использования более толстых материалов при увеличении масштаба проекта. По словам Паулино, ещё одним фактором, который следует учитывать, является то, что свойства оригами, такие как прочность, не масштабируются линейно, и по мере увеличения масштаба возникают дополнительные соображения — например, соединения и их конструкция, несовершенства и изгиб. «Реальные укрытия должны выдерживать многонаправленные нагрузки и отвечать требованиям прочности, что может потребовать использования арок и системной интеграции, выходящей за рамки небольших испытаний на сжатие», — говорит он.

Ву сразу отмечает, что он только начинает свой научный путь. «Я определённо хочу продолжать исследовать и изучать оригами и его взаимосвязь со STEM», — говорит он.

Его первоочередная задача — разработать реальный прототип аварийного укрытия, изготовленного из одного Миура-ори, изогнутого в виде арки, или из нескольких Миура-ори, соединённых для создания прямоугольной или палаточной конструкции. Прежде чем приступить к реализации, он надеется дополнительно протестировать прочность конструкции не только на боковое сжатие, но и на многонаправленные нагрузки. «Я также хотел бы исследовать другие способы использования различных моделей оригами в разных сценариях», — говорит Ву.