Основные принципы оригами изменили взгляд биомедицинских инженеров на свою работу.
Гринберг интересовали податливые механизмы C, то есть объекты, движение которых происходит за счет сгибания, складывания и скручивания. Один из ее лучших друзей был вундеркиндом оригами, который научил ее некоторым основным приемам. Некоторые люди читают много работ для поступления в аспирантуру. Я складывала много бумаги, - говорит Гринберг.
Красочные фигурки Т-рекса и венерианской мухоловки, а также книги со схемами оригами стали заполнять полки лаборатории. И Гринберг вместе со своими профессорами поняла, что древнее искусство складывания бумаги может применяться и в других сферах, включая проектирование медицинских инструментов и приборов.
Это был брак искусства и инженерии, 1000-летняя практика, примененная к передовым технологиям. Художники оригами открыли новые способы делать вещи, на которые мы никогда бы не наткнулись, используя те методы, которыми пользовались всегда, - говорит Ларри Хауэлл, доктор философии, профессор машиностроения и помощник академического вице-президента университета.
К тому времени, когда Гринберг пришел в лабораторию в 2010 году, ученые и инженеры по всему миру уже использовали принципы оригами, в частности, идею о том, что что-то большое может быть сложено в компактную форму, а затем снова разложено, в разработке автомобильных подушек безопасности и ракетных щитов.
Чжун Ю, доктор философии, ныне профессор инженерных наук Оксфордского университета, работал над созданием складного сердечного стента для лечения аневризмы аорты, который, используя принципы оригами, складывался из 30 мм в диаметре до 7-9 мм для удобства введения, а затем разворачивался до полного размера внутри аорты.
А Роберт Дж. Лэнг, доктор философии, физик и всемирно известный эксперт по оригами, разработал чехол для медицинских инструментов, используя оригами для складывания плоского материала так, чтобы стерильные поверхности не соприкасались с нестерильными поверхностями при использовании. Лэнг консультировал правительственные учреждения, частные компании и университеты, включая университет BYU, по вопросам применения принципов и техники оригами в различных проектах.
По словам Ланга, то, что оригами вносит вклад в медицину, а также в другие области, - это детерминированное изменение формы, то есть устройства, которые меняют форму определенным и намеренным образом, а не просто сминаются, как рубашка, засунутая в ящик. Поскольку оригами стало более признанным, частью инструментария инженеров, все больше людей, работающих над медицинскими проблемами, увидели его и установили эту связь: О, это может быть полезно.
Национальный научный фонд подхватил эту идею и в начале 2010-х годов профинансировал ряд грантов, связанных с оригами: однодневный семинар по дизайну ДНК-оригами, проект по программируемому интеллектуальному оригами, а также проект в BYU по применению принципов оригами к небумажным материалам.
Команда из университета BYU создала сильфон в стиле оригами, который может обеспечить стерильную оболочку для изогнутой руки рентгеновского аппарата, когда она поворачивается в разные стороны. Они использовали оригами для разработки более подходящего подгузника для взрослых, который соответствовал изгибам тела.
Одна из первых моделей, с которой мы играли, называлась "чомпер", - говорит Спенсер Маглби, доктор философии, профессор машиностроения в BYU и помощник декана по обучению студентов. Чомпер оригами похож на клюв или рот; когда его сжимают с боков, он открывается и закрывается, как будто кусает.
Тот же принцип можно использовать для создания крошечного инструмента для лапароскопической хирургии, управляемого с помощью троса, чтобы зажать его для введения, а затем открыть и манипулировать им внутри тела. Команда BYU назвала его орицепс (хирургические щипцы, вдохновленные оригами).
В Университете штата Пенсильвания, где Мэри Фрекер, доктор философии, руководит Центром биоустройств, ее команда начала работать над устройством, которое можно было бы вводить через эндоскоп для лечения опухолей брюшной полости с помощью радиочастотной абляции C - электрического тока, который заставляет клетки опухоли вибрировать, нагреваться и отмирать.
Команда Фрекерс использовала технику оригами, чтобы сделать наконечник зонда, состоящий из крошечных игл, которые могут быть компактными для введения, а затем распускаться, как трехмерный павлиний хвост, когда они оказываются внутри опухоли. Они назвали его химерой - греческое слово, обозначающее существо, состоящее из несочетаемых частей.
Такие устройства, созданные по принципу оригами, имеют некоторые преимущества перед традиционными инструментами: простота конструкции означает меньшее количество движущихся частей и меньше возможностей для скопления бактерий в шарнирах или суставах, а также более низкую стоимость производства.
Если бы медицинские инструменты и стенты можно было сделать меньше, сами операции были бы менее инвазивными и разрушительными для организма; заживление могло бы быть более быстрым и менее сложным.
Применение [оригами в медицине] растет вместе с развитием лапароскопической хирургии, говорит Ланг. Вы хотите войти внутрь через крошечное отверстие; как только вы оказываетесь внутри, вы хотите распространиться, будь то с помощью стентов, которые расширяют кровеносные сосуды, или ретракторов, которые открываются, чтобы убрать органы с пути. Именно здесь оригами сыграло свою роль.
Использование оригами в медицине также сопряжено с определенными трудностями. Традиционное оригами основано на использовании бумаги, но устройства, предназначенные для использования в организме, должны быть изготовлены из материалов, которые являются биосовместимыми.
Кроме того, возникает вопрос активации. Как вы собираетесь заставить его двигаться, когда он доберется до места назначения? спрашивает Ланг. Будет ли это мотор, рычаг, активируется ли он электричеством? Некоторые устройства, вдохновленные оригами, разворачиваются при достижении определенной температуры, но эта температура должна быть совместима с человеческим телом.
Гринберг ушла из BYU 10 лет назад и сейчас работает в сфере развития бизнеса в компании Chevron. Ее эксперименты с оригами ограничиваются складыванием салфеток вместе с детьми, пока они ждут ужина в китайском ресторане.
Но по всему миру - в Оксфорде, Пенсильванском университете, университете штата Пенсильвания, в лабораториях Израиля, Китая, Японии и других стран - исследователи продолжают изучать возможности применения оригами в медицинских приборах и процедурах: сложенный биосовместимый лист с химиотерапевтическими препаратами, который может разворачиваться внутри тела; миниатюрный стент диаметром всего 0,5 мм для лечения глаукомы; направление ДНК-нанотехнологий, которое включает в себя связывание ДНК в трехмерные структуры, которые могут быть использованы, например, для биовизуализации и умной доставки лекарств, доставляя химиотерапию непосредственно в раковые клетки-мишени.
Интерес к медицинским устройствам, вдохновленным оригами, значительно вырос за последнее десятилетие, говорит Фрекер, чья команда сейчас работает над созданием изделия, вдохновленного оригами, для защиты врачей, которые делают операции на пазухах, от воздействия капель аэрозоля от пациентов.
На данный момент большинство медицинских приложений, вдохновленных оригами, находятся на стадии исследований или прототипов. На то, чтобы привлечь средства, заинтересовать производителя и получить одобрение FDA, могут уйти годы. Постепенно из лабораторий они переходят в компании, говорит Хауэлл. На это просто нужно время.
Основные принципы оригами C получение движения от сгибания и разгибания; преобразование чего-то плоского в что-то трехмерное; уменьшение чего-то большого до чего-то маленького путем складывания; использование простых техник для получения сложных результатов C изменили взгляд биомедицинских инженеров на свою работу.
Для Фрекер эти понятия также изменили ее мировоззрение. Я никогда не осознавала, насколько широко распространено оригами, пока не начала заниматься им в своих исследованиях, - говорит она. Оно повсюду.
