- Biến thể của mẫu gấp giấy Miura-ori đã được dùng để tạo ra một cấu trúc có thể chịu được tải trọng gấp 10.000 lần trọng lượng của chính nó, qua đó giành giải cao nhất ($25,000) tại JIC 2025
- Sau hơn 250 giờ lặp lại thiết kế, gấp và thử nghiệm độ bền, cậu đã hình dung ra một cấu trúc nơi trú ẩn khẩn cấp có thể triển khai nhanh khi xảy ra thảm họa
- Thí nghiệm cho kết quả chịu được hơn 200 pound tải trọng, và ban giám khảo đánh giá cao tính sáng tạo, sự chặt chẽ về kỹ thuật và khả năng hợp tác nhóm
- Dù mới 14 tuổi, cậu đã theo đuổi origami như một sở thích từ khoảng 6 năm trước, và đến năm 2024 bắt đầu khám phá các tính chất vật lý của origami vượt ra ngoài phạm vi sáng tác
- Nghiên cứu này cho thấy tiềm năng cải thiện tỷ lệ độ bền-trọng lượng của các cấu trúc gấp, đồng thời có khả năng được mở rộng thành các cấu trúc ứng phó thảm họa ở quy mô thực tế
Mẫu Miura-ori và bối cảnh nghiên cứu
- Miura-ori là một mẫu gấp do nhà vật lý thiên văn người Nhật Koryo Miura phát minh, được cấu thành từ các hình bình hành lặp lát và có thể gấp hoặc mở ra chỉ bằng một chuyển động
- Mẫu này nổi tiếng trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, từng được ứng dụng cho tấm pin mặt trời của NASA hoặc trên vệ tinh Space Flyer Unit của Nhật Bản được phóng năm 1995
- Dù origami có lịch sử hàng thế kỷ, phải đến sau thập niên 1960 nó mới bắt đầu được quan tâm nghiêm túc trong các lĩnh vực kỹ thuật, y học, toán học và kiến trúc
- Được ứng dụng trong thiết kế thiết bị y sinh như stent, catheter và cả robot tự lắp ráp
Thử nghiệm với mẫu Miura-ori và phát hiện
- Học sinh 14 tuổi ở New York, Miles Wu, đã phát hiện rằng giấy được gấp theo mẫu origami Miura-ori có thể chịu được trọng lượng gấp 10.000 lần trọng lượng của chính nó
- Tổng cộng cậu đã dành hơn 250 giờ để thiết kế, gấp và thử nghiệm nhiều biến thể khác nhau
- Wu bắt đầu chơi origami như một sở thích từ khoảng 6 năm trước, và từ năm 2024 bắt đầu nghiên cứu STEM về đặc tính vật lý của origami hình học
- Sau khi chứng kiến bão Hurricane Helene đổ bộ vào Florida và các vụ cháy rừng ở Nam California, cậu nảy ra ý tưởng ứng dụng các mẫu origami bền chắc và có thể gấp gọn vào nơi trú ẩn khẩn cấp
- Các cấu trúc trú ẩn hiện nay gặp vấn đề là khó đồng thời đáp ứng cả ba yếu tố: vững chắc, dễ triển khai và hiệu quả chi phí
- Cậu đã lên ý tưởng ứng dụng độ bền và khả năng gấp gọn của Miura-ori vào nơi trú ẩn khẩn cấp
Quá trình thí nghiệm và kết quả
- Cậu dùng chương trình máy tính để thiết kế các biến thể của mẫu Miura-ori, đặt chiều cao, chiều rộng và góc hình bình hành làm biến số
- Với 3 loại giấy gồm giấy in, cardstock nhẹ và cardstock nặng, cậu gấp 54 biến thể mỗi loại 2 tờ, thực hiện tổng cộng 108 lần thí nghiệm
- Để tăng độ chính xác khi gấp, cậu sử dụng máy tạo nếp gấp
- Mẫu có diện tích bề mặt 64 inch vuông được đặt giữa các thanh chắn cách nhau 5 inch, sau đó tăng dần trọng lượng cho đến khi bị hỏng
- Ban đầu cậu dự đoán mẫu sẽ chịu được tối đa 50 pound, nhưng trên thực tế nó chịu được tới 200 pound
- Sách giáo khoa và chảo gang ở nhà không đủ nên cậu phải mua thêm tạ tập luyện 50 pound
- Mẫu Miura-ori mạnh nhất có thể chịu được hơn 10.000 lần trọng lượng bản thân
- "Tương đương với tỷ lệ một chiếc taxi New York có thể chịu sức nặng của hơn 4.000 con voi"
Giải thưởng và đánh giá
- Nghiên cứu của Wu đã giành giải cao nhất (25.000 USD) tại Thermo Fisher Scientific Junior Innovators Challenge 2025
- Đây là cuộc thi STEM uy tín hàng đầu dành cho học sinh trung học cơ sở tại Mỹ, do Society for Science tổ chức từ năm 1999, và Wu được chọn là quán quân trong số 30 thí sinh vào chung kết
- Ban giám khảo coi trọng đam mê cá nhân và tiềm năng đóng góp cho cộng đồng
- Wu được đánh giá cao khi phát triển sở thích origami lâu năm thành thí nghiệm kỹ thuật kết cấu
- Trong phần thi đồng đội, cậu đã áp dụng nguyên lý origami để chế tạo bộ phận càng cua chuyển động, qua đó thể hiện sự sáng tạo, khả năng thích ứng và năng lực hợp tác
Phân tích của chuyên gia
- Kỹ sư Glaucio H. Paulino của Đại học Princeton đánh giá dự án này là một cuộc khảo sát tham số xuất sắc, trong đó "hình học được khai thác như một đặc tính kết cấu"
- Dự án chứng minh rằng việc điều chỉnh kích thước ô và góc gấp của Miura-ori có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ độ bền trên trọng lượng
- Tuy vậy, để hiện thực hóa thành nơi trú ẩn thực tế vẫn cần thêm nhiều công việc
- Khi mở rộng quy mô sẽ cần các giải pháp origami dày hơn
- Độ bền của origami không mở rộng theo tuyến tính, và sẽ phát sinh các yếu tố cần cân nhắc mới như thiết kế khớp nối, sai lệch không hoàn hảo và hiện tượng oằn
- Nơi trú ẩn thực tế phải đáp ứng tải trọng đa hướng và yêu cầu độ bền lâu dài, nên cần vượt ra ngoài thử nghiệm nén quy mô nhỏ để tiến tới tích hợp ở cấp độ vòm và toàn hệ thống
Kế hoạch tiếp theo
- Wu dự định phát triển nguyên mẫu nơi trú ẩn thực tế bằng cách uốn một tấm Miura-ori đơn thành dạng vòm, hoặc kết hợp nhiều tấm Miura-ori để tạo thành cấu trúc hình chữ nhật hay kiểu lều
- Cậu cũng sẽ thử nghiệm thêm độ bền trước các lực đa hướng, chứ không chỉ nén từ một phía
- Đồng thời, cậu muốn khám phá khả năng các mẫu origami khác nhau có thể được ứng dụng trong những kịch bản khác nhau
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Điểm quan trọng hơn cách diễn đạt “14 tuổi” là việc cậu ấy đã bắt đầu gấp giấy từ “6 năm trước”
Đây là kết quả của 6 năm thử nghiệm và phát triển đầy đam mê
Nhờ tính dẻo thần kinh, hiệu quả học tập cũng cao hơn nhiều
Tôi cũng học nhanh hơn rất nhiều khi 15 tuổi so với bây giờ ở tuổi 35
Việc đào sâu OS với Gentoo Linux khi còn học trung học đã trở thành nền tảng lớn cho kiến thức kỹ thuật, vật lý và toán học sau này
Nhưng bây giờ học toán cao cấp là chuyện khá khó khăn
Cậu ấy không tạo ra một thiết kế mới, mà đã đo đạc thực nghiệm một cấu trúc do nhà vật lý thiên văn Nhật Bản Miura-Ori nghĩ ra
Đây thực sự là một nghiên cứu rất hay, nhưng tôi không chắc việc một cấu trúc bằng giấy chịu nén tốt có liên hệ trực tiếp đến nơi ở tạm thời dùng trong thảm họa hay không
Lều không coi độ bền nén là điều quan trọng, và giấy cũng không phù hợp với môi trường ngoài trời
Có lẽ phóng viên đã nhấn quá mức vào điểm ứng phó thảm họa
Nếu tuyết rơi dày, bạn phải thức dậy giữa đêm để phủi tuyết đi
Cốt lõi ở đây là quy mô (scale)
Một cấu trúc hoạt động tốt ở kích thước inch có thể sụp đổ khi tăng lên cỡ foot
Cấu trúc này chịu được áp suất khoảng 33psi, nhưng gỗ balsa có thể chịu hơn 100psi
Tuy nhiên, cấu trúc này tập trung áp lực vào các góc
Tôi tự hỏi liệu nó có thể được dùng làm lõi cho vật liệu composite cường độ cao giá rẻ hay không
Các cấu trúc vi mô tập hợp lại có thể hoạt động giống như các dạng sinh học
Cuối bài báo đã tổng kết rõ lý do của điều đó
Nhưng bản thân nỗ lực này đã là một hành trình thuộc top 0,1% rồi
Hiện giờ mới chỉ là giai đoạn đầu của hành trình dài đó, và một ngày nào đó trải nghiệm này sẽ đơm hoa kết trái dưới một hình thức khác
Trước đây tôi từng cắt mặt bàn IKEA, và bên trong được nhồi bìa carton sóng
Nó yếu trước lực cắt, nhưng đủ chịu tải theo phương thẳng đứng
Tuy nhiên, nếu độ cứng ở hai bên biến mất thì nó sẽ rất dễ vỡ
Cấu trúc này có lẽ cũng mạnh theo trục Z, nhưng yếu trước tải trọng ngang
Sau vài năm sẽ rất dễ bị võng
Bàn ăn IKEA “SANDSBERG” tốt hơn nhiều vì được gia cường bằng kim loại
3 tháng trước cũng đã có một cuộc thảo luận tương tự
Liên kết chủ đề liên quan
Tôi tò mò liệu cấu trúc này có giữ được đặc tính phân tán tải trọng khi in 3D hay không
Có vẻ nó có thể tạo ra các bộ phận bền với rất ít vật liệu
Đó chính là mẫu infill, với nhiều biến thể có độ bền và đặc tính khác nhau
Tôi tò mò mẫu hình lý tưởng là gì, và có thể dùng nó để làm nơi trú ẩn (shelter) như thế nào
Làm thử một ngôi nhà đồ chơi chắc sẽ rất thú vị
Xem bài viết wiki về Miura fold
Thật sự rất thú vị khi thấy cấu trúc như thế này có thể chịu được nhiều trọng lượng
Nó khiến tôi nhớ đến cây cầu Lego do hai kỹ sư làm trong Lego Masters
Video liên quan
Nhìn tổng thể thì nó giống dạng khay đựng trứng (egg carton)
Nếu một khay trứng rỗng nặng 50g mà có thể đặt 500kg lên trên, thì quả là khá ấn tượng
Cấu trúc tam giác luôn là đơn vị cơ bản của độ bền