Podstawowe zasady origami zmieniły sposób, w jaki inżynierowie biomedyczni patrzą na swoją pracę.

Greenberg interesowała się mechanizmami kompensacyjnymi, czyli obiektami, których ruch wynika ze zginania, składania i skręcania. Jedną z jej najlepszych przyjaciółek była cudowna miłośniczka origami, która nauczyła ją kilku podstawowych technik. Niektórzy ludzie czytają wiele prac do szkoły średniej. Ja złożyłam mnóstwo papieru” – mówi Greenberg.

Kolorowe figurki T-rexa i muchołówki wenusjańskiej oraz książki z wzorami origami zaczęły zapełniać półki laboratorium. Greenberg, wraz ze swoimi profesorami, zdał sobie sprawę, że starożytna sztuka składania papieru może mieć zastosowanie w innych dziedzinach, w tym w projektowaniu instrumentów i urządzeń medycznych.

Był to mariaż sztuki i inżynierii, 1000-letnia praktyka zastosowana do najnowocześniejszej technologii. Artyści origami odkryli nowe sposoby robienia rzeczy, na które nigdy byśmy się nie natknęli, używając metod stosowanych od zawsze – mówi dr Larry Howell, profesor inżynierii mechanicznej i prorektor ds. akademickich na BYU.

Kiedy Greenberg rozpoczął pracę w laboratorium w 2010 roku, naukowcy i inżynierowie z całego świata już wykorzystywali zasady origami, a przede wszystkim pomysł, że coś dużego można złożyć w kompaktowy kształt, a następnie ponownie rozwinąć, w projektowaniu samochodowych poduszek powietrznych i osłon rakietowych.

Dr Zhong You, obecnie profesor nauk inżynieryjnych na Uniwersytecie w Oksfordzie, pracował nad składanym stentem sercowym do leczenia tętniaków aorty, który wykorzystywał zasady origami do składania się ze średnicy 30 mm do niewielkiej średnicy 7-9 mm w celu ułatwienia wprowadzania, a następnie rozkładał się do pełnego rozmiaru po umieszczeniu w aorcie.

Z kolei dr Robert J. Lang, fizyk i światowej sławy ekspert w dziedzinie origami, zaprojektował worek na instrumenty medyczne, wykorzystując origami do złożenia płaskiego materiału, tak aby sterylne powierzchnie nie stykały się z niesterylnymi podczas użytkowania. Lang prowadził konsultacje z agencjami rządowymi, prywatnymi firmami i uniwersytetami, w tym BYU, na temat sposobów zastosowania zasad i technik origami w wielu projektach.

Tym, co origami wnosi do medycyny, a także do innych dziedzin, jest deterministyczna zmiana kształtu, mówi Lang, czyli urządzenia, które zmieniają kształt w określony i celowy sposób, a nie po prostu gniotą się jak koszula upchnięta w szufladzie. Ponieważ origami stało się bardziej rozpoznawalne, częścią zestawu narzędzi dla inżynierów, więcej osób pracujących nad problemami medycznymi zobaczyło je i nawiązało połączenie: O, to może być przydatne.

National Science Foundation złapała ten szum i na początku 2010 roku sfinansowała serię grantów związanych z origami: jednodniowe warsztaty na temat projektowania origami DNA, projekt dotyczący programowalnego inteligentnego origami oraz jeden, w BYU, dotyczący zastosowania zasad origami do materiałów niepapierowych.

Zespół z BYU stworzył mieszek w stylu origami, który mógł zapewnić sterylną osłonę dla zakrzywionego ramienia aparatu rentgenowskiego, gdy był on obracany w różnych kierunkach. Wykorzystali origami do zaprojektowania lepiej dopasowanej pieluchy dla dorosłych, która dopasowywała się do krzywizn ciała.

Jednym z pierwszych wzorów, jakimi się bawiliśmy, było coś, co nazywamy chomperem – mówi dr Spencer Magleby, profesor inżynierii mechanicznej na BYU i zastępca dziekana ds. edukacji licencjackiej. Chomper z origami wygląda jak dziób lub usta; po ściśnięciu z boku otwiera się i zamyka, jakby gryzło.

Tę samą zasadę można by wykorzystać do stworzenia maleńkiego instrumentu do chirurgii laparoskopowej, obsługiwanego za pomocą kabla, aby uszczypnąć się w celu wprowadzenia, a następnie otworzyć i manipulować po wejściu do ciała. Zespół z BYU nazwał go oriceps (inspirowane origami kleszcze chirurgiczne).

Na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii, gdzie dr Mary Frecker kieruje Centrum Urządzeń Biologicznych, jej zespół rozpoczął pracę nad urządzeniem, które można by wprowadzić przez endoskop w celu leczenia guzów jamy brzusznej za pomocą ablacji prądem o częstotliwości radiowej.

Zespół Freckersa wykorzystał techniki origami, aby stworzyć końcówkę sondy składającą się z maleńkich igiełek, które mogą być zwarte podczas wprowadzania, a następnie rozłożone jak trójwymiarowy pawi ogon, gdy znajdą się wewnątrz guza. Nazwali ją chimerą, greckim słowem oznaczającym stworzenie złożone z niepasujących do siebie części.

Takie inspirowane origami urządzenia mają pewne zalety w porównaniu z tradycyjnymi instrumentami: prostota projektu oznacza mniej ruchomych części i mniej okazji do gromadzenia się bakterii w zawiasach lub stawach, a także niższe koszty produkcji.

Jeśli instrumenty medyczne i stenty mogłyby być mniejsze, same operacje byłyby mniej inwazyjne i uciążliwe dla organizmu, a leczenie mogłoby być szybsze i mniej skomplikowane.

Zastosowanie [origami w medycynie] wzrosło wraz z rozwojem chirurgii laparoskopowej, mówi Lang. Chcesz wejść przez mały otwór; kiedy już jesteś w środku, chcesz się rozłożyć, czy to za pomocą stentów, które rozszerzają naczynia krwionośne, czy też retraktorów, które otwierają się, aby przesunąć organy z drogi. To właśnie w tym przypadku origami odgrywa ważną rolę.

Wykorzystanie origami w zastosowaniach medycznych wiąże się również z wyzwaniami. Tradycyjne origami opiera się na wykorzystaniu papieru, ale urządzenia przeznaczone do użytku w ciele muszą być wykonane z materiałów, które są biokompatybilne.

Pozostaje jeszcze kwestia aktywacji. Jak sprawisz, że to się poruszy, gdy już dotrze do celu? pyta Lang. Czy jest to silnik, dźwignia, czy jest to aktywowane elektrycznie? Niektóre urządzenia inspirowane origami uruchamiają się po osiągnięciu określonej temperatury, ale ta temperatura musi być również zgodna z ludzkim ciałem.

Greenberg opuściła BYU 10 lat temu i obecnie pracuje w rozwoju biznesu w Chevronie. Jej eksperymenty z origami ograniczają się do składania serwetek z dziećmi, gdy czekają na obiad w chińskiej restauracji.

Ale na całym świecie C w Oxfordzie, Penn State i BYU, w laboratoriach w Izraelu, Chinach, Japonii i innych miejscach C badacze nadal badają, w jaki sposób origami może być stosowane w urządzeniach i procedurach medycznych: składany biokompatybilny arkusz osadzony w lekach do chemioterapii, który mógłby rozwinąć się wewnątrz ciała; pomniejszony stent, o średnicy zaledwie 0,5 mm, do leczenia jaskry; i gałąź nanotechnologii DNA, która obejmuje dzierganie DNA w struktury 3D, które mogłyby być stosowane, na przykład, w bioobrazowaniu i inteligentnym dostarczaniu leków, przynosząc chemioterapię bezpośrednio do docelowych komórek rakowych.

Zainteresowanie urządzeniami medycznymi inspirowanymi origami wzrosło dość znacznie w ciągu ostatniej dekady, mówi Frecker, którego zespół pracuje obecnie nad produktem inspirowanym origami, który ma chronić lekarzy przeprowadzających operacje zatok przed kontaktem z kroplami aerozolu pochodzącymi od ich pacjentów.

W tym momencie większość zastosowań medycznych inspirowanych origami pozostaje w fazie badań lub prototypów. Zebranie funduszy, zainteresowanie producentów i uzyskanie aprobaty FDA może zająć lata. Jak mówi Howell, z laboratoriów stopniowo przechodzą one do firm. To po prostu wymaga czasu.

Podstawowe zasady origami C wyprowadzanie ruchu z zagniatania i odkręcania; przekształcanie czegoś płaskiego w coś trójwymiarowego; redukowanie czegoś dużego do czegoś małego poprzez składanie; używanie prostych technik do uzyskania złożonych rezultatów C zmieniły sposób, w jaki inżynierowie biomedyczni patrzą na swoją pracę.

Dla Frecker te koncepcje zmieniły również sposób, w jaki postrzega ona świat. Nigdy nie zdawałam sobie sprawy, jak wszechobecne jest origami, dopóki nie zaczęłam zajmować się nim w swoich badaniach – mówi. Jest wszędzie.