Aura of Puppetsin nukketeatteritaiteilijat Valtteri Alanen ja Aati Hanikka Cornellin yliopiston fysiikan laitoksella Itai Cohenin tutkimusryhmän vieraina.

Alkukesästä 2022 vierailimme Cornellin yliopiston soveltavan fysiikan laitoksella, professori Itai Cohenin tutkimusryhmän taiteiljavieraina. Matkamme mahdollisti Aura of Puppetsin ja Taiken tuki. Cornellissa sukelsimme soveltavan fysiikan tutkimuksen ihmeelliseen, läpeensä nukketeatterilliseen maailmaan. Tässä artikkelissa esittelemme nukketeatterillisia löytöjämme, ajatuksiamme ja unelmiamme, jotta tämä potentiaali löytäisi tiensä mahdollisimman monen nukketeatteritaiteilijan tulevaan repertuaariin.

Edellisessä osassa keskityimme akustiseen manipulointiin ja sähkömagneettisten ilmiöden hyödyntämiseen. Tässä osassa otamme käsittelyyn kaksi kiehtovaa, alati kehittyvää materiaalitutkimuksen haaraa: suspensiot ja origamit. Molemmat tarjoavat nukenkäsittelylle ja -rakentamiselle huimia, vielä laajasti hyödyntämättömiä mahdollisuuksia. 

Suspensio

Suspensio on heterogeenisen ja homogeenisen seoksen välimuoto. Se on seos, jossa hiukkaset ovat riittävän pieniä luomaan tasaisen massan, mutta eivät kuitenkaan niin pieniä, että syntyisi oma aineensa. Suspensio on hitaasti sekoittuva massa. Esimerkkinä käyköön perunajauhot vedessä: seos on tasainen ja hyvin tahmea saostumaan. Esimerkiksi Kuuman Ankanpoikasen teos, Lunta, lunta käytti tätä suspensiota käsiin sulavien lumipallojen kasaamisen kahden eksyneen naparetkeilijän käsissä.1 Kun tällaista ei-newtonilaista suspensiota puristaa kasaan, se tiivistyy tukevaksi, kuivaksi palloksi. Kun siitä hellittää, muuttuu se omalla rytmillään takaisin nestemäisen limaiseksi, lerjuvaksi massaksi.

Suspensioon käytetyt materiaalit määrittelevät pitkälti ominaisuudet, jotka kukin suspensio tarjoaa nukketeatteritaiteilijan hyödynnettäväksi. Esimerkiksi juuri veden ja perunajauhon – lähes puhtaan tärkkelyksen – suspensio käyttäytyy vaihtelevassa paineessa sekä nesteen että kiinteän aineen tavoin. Kyllä, luit oikein. Voimme valmistaa nuken materiaalista joka on käytännössä sekä nestemäinen että kiinteä. Jos seosta liikuttaa suurella voimalla, se jähmettyy. Mikäli voiman pysäyttää, seos muuttuu juoksevaksi. Nukettajan on siis kuunneltava nukkeaan erityisen herkästi, jotta saa sen nuken liikkumaan jähmeän ja juoksevan välillä. 

Mitä tapahtuisi, jos ottaisimme aikaisemman esimerkin lumipallot, ja sulkisimme materiaalin vesitiiviisiin, muotoon ommeltuihin pusseihin? Cornellissa vieraillessamme aloimme pohtia, mitä tapahtuisi, jos esimerkiksi nuken nivelet olisi rakennettu tällaisista suspensiopötköistä? Jotta nivelet liikkuisivat, niihin ei saisi kohdistaa liikaa voimaa, ja toisaalta, kun niihin kohdistaa voimaa, nukke luultavasti pitäisi valitun asennon nivelissään. Moinen elastisuuden ja jäykkyyden valssi saattaisi olla erittäin kiinnostavaa nukettaa ja toisaalta seurata. Entäpä jos koko nukke olisi kokoelma toisiinsa liitettyjä suspensiopötköjä, -palluroita, -pussukoita ja muita -palikoita? Lähes lötköllä nukella olisi nuketuskohdissaan kiinteitä, fokusoituja kehonosia. Voisiko kiinteys levittäytyä nuketuskohdista nuken ääriä kohti ja kovettaa nukkea enemmänkin?  

Myös artikkelin edellisessä osassa esitelty akustinen manipulaatio tarjoaa mahdollisuuksia suspensionukeille. Kun vesi-perunajauhoseoksen asettaa soivan kaiuttimen päälle, alkaa materiaali elää aivan kuin omaa elämäänsä. Erittäin nopeassa paineenvaihtelussa suspensio järjestyy sisäisesti jatkuvasti uuteen asentoon, pehmentyen toisaalla ja jähmettyen toisaalla jatkuvasti etenevässä hetero- ja homogeenisen massan kovin orgaanisen oloisessa tanssissa. Sekatekniikkakin on mahdollinen: kun yhdistää kaiuttimen luoman orgaanisen liikkeen nuketuskeppien kontrolliin, voi syntyä villisti liikkuva otus, jolla on tarpeen mukaisia fokuskohtia kehossaan. 

Ei-newtonilainen tärkkelyksen ja veden seos ei kuitenkaan ole ainoa nukketeatteritaitelijoiden ulottuvissa oleva suspensio. Voimme esimerkiksi sekoittaa magnetisoituja rautahiukkasia öljyyn, jolloin edellä esiteltyihin nukenkäsittelykokeiluihin voi myös lisätä magneettisen manipulaation monet mahdollisuudet.

Origamit

Menimme Cornellin yliopistoon tutustumaan ennätyksellisiin ihmissolun kokoisiin käveleviin robotteihin ja yllätykseksemme löysimmekin itsemme hyvin perinteisten tekniikoiden parista: origamit ja litografia. Cohen Research Groupin robotit olivat lasisia origameja, joita valmistetaan nanolaboratoriossa litografisesti, käytännössä käsityönä. Samalla saimme kurkistuksen origamien maailmaan nykyfyysikoiden näkökulmasta. Se yllätti meidän täysin.

Origameilla on pitkä historia. Ne ovat olleet osa Japanin eliitin paketointietikettiä2 ja myöhemmin kansanhuvia, joka taidemuodoksi jalostettuna on soveltunut lähinnä taidegalleroihin pölyyntymään liikkumattomuuden vankilassa. Origamin käytännön sovellutuksena oli pitkään paketoinnin lisäksi lähinnä vain erilaiset viuhkat. 

Suuri muutos kuitenkin tapahtui 1900-luvulla, kun materiaalia alettiin pakkaamaan pieneen tilaan. Haluttiin lähettää valtavia elementtejä ahtaissa rakenteissa avaruuteen ja äärimmäisen pieniä elementtejä verisuoniin hoitamaan erinäisiä tehtäviä. Alkoi aikakausi, jolloin matemaatikot, fyysikot, insinöörit ja arkkitehdit kiinnostuivat kaksiulotteisen materian taittelemisesta. Syntyi mm. vaatelaskoksiksta inspiroitunut Miura-Ori3 eli Miuran taitos, josta on kehitetty lukuisia variaatioita. Origamien matemaattisesta luonteesta on paljon kirjoittanut ja luennoinut Rober J. Lang.4 

2000-luvulla on tutkittu ja varioitu mm. Water Bomb -tesselaatiota5 sekä esimerkiksi origamin mahdollisuuksia transformatiivisessa pyörässä: tavoitteena on rakentaa kulkuneuvon alle pyörä, joka voi toimia sekä leveänä maastopyöränä että kapeana asfalttipyöränä. Vain yhdällä napin painalluksella pyörän tulisi muutta muotoaan, tehden maastoajoneuvosta kaupunkikulkuvälineen, tai toisin päin.6 Esimerkkinä origamien erittäin elinvoimaisesta tilasta 2000-luvulla voidaan pitää myös noin neljän vuoden välein järjestettäviä kansainvälisiä OSME-tapaamisia (International Meeting on Origami in Science, Mathematics, and Education)7, joissa kokoontuu matemaatikoita, tutkijoita ja kouluttajia useiksi päiviksi kuuntelemaan luentoja origamista tieteen, matematiikan ja opetuksen kuin myös muotoilun, taiteen ja historian näkökulmasta. 

Nykyisissä insinööriaikakauden origamisovelluksissa on useimmiten tavoite luoda tuotteelle kaksi muotoa: käyttömuoto ja säilytysmuoto. Nukketeatterillisesti kiinnostavinta on kuitenkin liike ja muutos itsessään. Cohenin tutkimusryhmä on niin ikään tutkimuksissaan keskittynyt materian liikkeeseen sinänsä. Heille origamit tarjosivat mahdollisuuksia materian mekaniikan muuttamiseen.8 Taitosten etäisyyksillä ja suunnilla pystymme muuttamaan materiaa: sen mekaniikka muuttuu ja se pystyy tekemään asioita, joita se ei ennen taitoksia pystynyt tekemään.

Origami-tessellaatio

Origami-tesselaatiot ovat geometrisesti laskostettuja pintoja. Ne liikkuvat laskostetun kankaan lailla, mutta kannattelevat itseään ryhdikkäämmin kuin kankaat. Niitä on mahdollisuus venyttää ja litistää kuten haitaria, jonka palkeet voivat liikkua samanaikaisesti useaan eri suuntaan. Draamallisesti, liikkeellisesti ja nukketeatterillisesti kiinnostavimmat origami-tessellaatiot ovat haitarimaisesti auki ja juuri sopivasti väljiä, jotta ne nukettuvat. Ne mahdollistavat materian orgaanisen liikkeen. Esimerkiksi Eric Gjerden Water Bomb -tessellaatio9 ja Tomoko Fusen spiraaliorigamit10 ovat sellaisia. Ne antavat uutta liikekieltä näyttämölle. Kun hahmo ei perustu niveliin vaan koko pinnan voi elävöittää kankaan lailla, ollaan vapaita luomaan nivelettömiä hahmoja. Liikettä, johon vain eloton materiaali näyttämöllä pystyy. 

Origamin periaatteita tarkasti seuraten koko nukke syntyy vain yhdestä materiaalin kappaleesta. Tässä on yksi selkeä etu, jonka avaamme esimerkin kautta. Verrataanpa vaikka puunukkea pehmoleluun. Puunukella on tässä esimerkissä nahkanivel puuosiensa välissä. Kun nämä kaksi hahmoa istuvat ja niiden kättä nuketetaan, puunukella olkapäähän liimattu nahka ei välitä liike-energiaa eteenpäin. Nukenkäsittelijän impulssi ei välity enää samalla liikkeellä nuken kehoon. Nukke ei tällöin kovin helposti “hengitä” samaa liikettä. Näin syntyy hyvin irrallista liikemateriaalia. Sen sijaan pehmolelu on päällystetty yhtenäisellä kankaalla, joka jakaa liike-energiaa koko pehmolelun alueelle. Näin pehmolelu voi liikkua paljon luontevammin, kokonaisvaltaisemmin, kuin kovin irrallisiksi osiksi jätetty puunukke. Origami vie tämän liike-energian hyödyntämisen vielä pidemmälle.

Origami-tessellaatiot voi suunnitella yhtenäiseksi samansuuntaiseksi kuvioksi, jolloin koko nukke reagoi samasta kohdasta tulevaan impulssiin tietyn suuntaisesti. Artikuloidumman hahmon tessellaatiot voi toisaalta suunnitella myös niin, että yhdessä kappaleessa on eri suuntiin taipuvia osuuksia. Näin tessellaationukke voi venyä ja paukkua eri suuntiin eri kohdista omaa kehoaan – yhdestä ja samasta liikkeen impulssista. Se avaa lukemattomia vielä tutkimattomia mahdollisuuksia niin nukketteatterissa kuin esittävässä taiteessa ylipäätään. 

Origami-laminaatti

Kuten edellisessä kappaleessa toteamme, jos suunnittelemme rakentavamme nuken origamina, olemme periaatteessa lukinneet itsemme käyttämään yksittäistä kaksiulotteista materiaaliarkkia. Ainakin jos uskollisesti seuraamme origamin perinteitä. Kun suunnittelemme nukkemme toimivaisuuksia, voimme kuitenkin kysyä, millä materiaalien yhdistelmillä nukke saavuttaisi toimivuutensa parhaiten. Eihän kukaan vaadi, että origamin nuken arkki olisi yhtä ja samaa materiaalia päästä varpaisiin, reunasta reunaan. Origaminuken rakentamisen voikin aloittaa esimerkiksi laminoimalla materiaaliin valmiiksi haluttuja toimivuuksia. Tämä onnistuu laminoimalla eri taitosten kohdalle tiettyjä määriä tiettyjä materiaaleja.

Cornellin yliopiston Cornell Nanofabrication Facilityssa (CNF) laminoitiin robotteja mikro- ja nanotasolla. Paikka oli kuin huipputekninen nukenrakentajan verstas. Jos kuvittelet Pinokkion rakentaneen Gepetton puutyöpajan, vain sillä erolla että kyseessä onkin 2001 Avaruusseikkailun aluksen, Discovery One:n moduuli, niin mielikuva tuskin on kovinkaan kaukana kokemuksestamme. Kaikki CNF:n käyttäjät kulkevat ympäriinsä haalareissa, jotka ehkäisevät esimerkiksi hiussuortuvien tai ihosta ja vaatteista irtoavan hienojakoisen pölyn päätymistä näytteisiin ja rakentamisen alla olleisiin laitteisiin. Syytä onkin, kun otamme huomioon verstaan pääasiallisen mittakaavan, jossa silmälle näkymätön pölykin voi väärään paikkaan joutuessaan aiheuttaa tuhoa kuin pajavasara konsanaan. Eräs laite esimerkiksi laminoi Cohen Research Groupin kehittämiä maailman pienimpiä origami-nanorobotteja. Kone kykeni tulostamaa, etsaamaan, painamaan ja manipuloimaan hämmästyttävän pieniä materiaalimääriä tulevan origamin muotoihin. Grafeenin ollessa materiaalina tulostus tapahtui kirjaimellisesti yksi atomikerros kerrallaan!11

Nukketeatterin kannalta laitoksessa ja sen toimintaperiaatteissa innostavaa oli se, että monia pajalla käytettyjä valmistusmenetelmiä voi soveltaa aivan yhtä hyvin täällä ihmisen paljaalle silmälle hahmottuvan mittakaavan maailmassa. Origaminuken laminointiin voikin soveltaa samoja perusperiaatteita joita Cornell Nanofabrication Facilityssä sovelletaan mikrorobotteihin. Voimme esimerkiksi jättää nuken nivelkohdat ohuemmiksi, jolloin ne taipuvat paksummaksi laminoituja osia helpommin. Tämä onnistuu esimerkiksi laminoimalla eri määrän materiaalia nuken eri osiin, tai käyttämällä kahden jäykemmän materiaalikerroksen välisessä kerroksessa jotain kestävää, mutta erittäin taipuisaa materiaalia. Nivelkohdista jätämme jäykemmän materiaalin laminoimatta, jolloin nivelet taipuvat muuta nukkea helpommin.

Voimme myös laminoida arkkimme eri puolille eri materiaaleja, jolloin arkin eri puolet voivat myös toimia erilaisina pintoina. Koko arkkiin voi tällä tavoin vaikka  ohjelmoida jännitteen joka pyrkii taivuttamaan nukkea vääjäämättömästi tiettyyn asentoon – tai jopa taittelemaan itse itsensä kuten Cohenin tutkimusryhmän kehittämä 40:n mikrometrin origamilintu!12 Cohen Research Groupin vieraina todistimme myös kahden eri materiaalipuolen rakenteita, jotka esimerkiksi sähkövirtaa saadessaan, lämpötilan kohotessa tai kosteudelle altistuessaan taipuivat tiettyyn suuntaan. Millaisen esityksen voisi tehdä nukella, joka muuttaa radikaalisti muotoaan kun nukenkäsittelijä suihkii sumutinpullosta kosteutta nuken pinnalle, tai nukke joutuu hetkeksi vesialtaan uppeluksiin?

Lopuksi

Kiitos Aura of Puppetsille tuotantotuesta ja Taiteen edistämiskeskukselle apurahasta. Kun heitimme ilmoille tutkimuskysymyksen: “Kuinka pieni voisi olla maailman pienin nukke”, emme arvanneet päätyvämme Cornellin yliopistoon. Olemme äärimmäisen kiitollisia Itai Cohenin tutkimusryhmälle, joka esitteli meille lukuisia tutkimuksiaan mikromanipulaation maailmassa. Kaikkien uusien nuketustekniikoiden keskellä meille kirkastui pari ajatusta. 

Fyysikot ovat todellisia nukketeatteritaiteilijoita. He tutkivat väsymättä materiaa, materian liikettä sekä mekaniikkaa. Miettikää mikrometrien ja -sekuntien tarkkoja mittauksia!  

Nukketeatteritaiteilijoina meidän kannattaa tarkkailla, mitä noissa fysiikan laboratorioissa tapahtuu. Tällä hetkellä fysiikan tutkimuksen isoihin trendeihin kuuluu mikromanipulaation ja itsejärjestymisen lisäksi synteettinen elämä ja sen luomine. Esimerkiksi Tampereella on luotu muovia, jotka nukettuu silkasta valosta!13 Tutkimus jatkuu ja materiaaleja kehitetään eteenpäin. Olkoon siitä iloa tulevaisuuden nukketeatterille ja ottakoon nukketeatterikenttä osaa materiaalieihin liittyvään keskusteluun omalla erityisellä linssillään! 

Allekirjoittaneet ottavat käyttöön oppimiaan mikromanipulaatioteknikoita, kuten mikroskooppisten kappaleiden akustisen manipuloinnin, Nano Steps -teoksessaan, joka saa ensi-iltansa 8.8.2023 Helsingin kaupunginteatterin Nykyesityksen näyttämöllä. 

Viitteet

1 Kuuma Ankanpoikanen 2011: Lunta, Lunta. Nukketeatteriesitys
2  Huttunen, Kallio & Keinänen 2021: “Origami: enemmän kuin tuhat kurkea”
3  Wikipedia: Miura fold
4 Lang 2011: Origami Design Secrets, 2017: Twist, Tilings and Tessellations
5 Endo Y., et al.. 2018: Approximating 3D surfaces using generalized waterbomb tessellations, Journal of Computational Design and Engineering 5(4): 442-448
6  Youtube: High-load capacity origami transformable wheel
7  OSME-kotisivut: http://osme.info/ 
8  Youtube: Itai Cohen explains the physics of origami
9 Happy Folding: Water Bomb (Eric Gjerde): Instructions
10 Fuse, T. 2011: Spiral: Origami | Art | Design
11  Chodos, A. (Ed.) (2009) October 22, 2004: Discovery of Graphene, APS News 18(9):2
12 Youtube: World’s smallest origami bird shows potential of nanoscale machines
13 Shashavan H., et al. 2020: Bioinspired underwater locomotion of light-driven liquid crystal gels, PNAS

Lähteet

Chodos, A. (Ed.) 2009: This month in physics history: October 22, 2004: Discovery of Graphene, APS News 18(9):2, www.aps.org/publications/apsnews/200910/physicshistory.cfm

Shashavan H., Aghakhani A., Zeng H., Guo Y., Davidson Z. S. ja Priimagi A. 2020: Bioinspired underwater locomotion of light-driven liquid crystal gels, PNAS, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1917952117 Noudettu 1.12.2022

www.aps.org/publications/apsnews/200910/physicshistory.cfm Noudettu 21.6.2022

Kubrick Stanley 1968: 2001 Avaruusseikkailu. Elokuva

Kuuma Ankanpoikanen 2011: Lunta, Lunta. Nukketeatteriesitys

Huttunen Sari, Kallio Tanja ja Keinänen Elina 2021: Origami: enemmän kuin tuhat kurkea. Japanilaisen kulttuurin ystävät ry. 

Wikipedia: Miura fold https://en.wikipedia.org/wiki/Miura_fold Noudettu 21.8.2022

Wikipedia: Suspensio https://fi.wikipedia.org/wiki/Suspensio Noudettu 11.11.2022

OSME: http://osme.info/ Noudettu 1.12.2022

Lang Robert J. 2011: Origami Design Secrets, 2nd Edition. CRC Press.

Lang Robert J. 2017: Twist, Tilings and Tessellations: Mathematical Methods for Geometric Origami. CRC Press.

Fuse Tomoko 2011: Spiral: Origami | Art | Design. CRC Press.

Youtube: World’s smallest origami bird shows potential of nanoscale machines https://www.youtube.com/watch?v=nNn4Lpd4uBM Noudettu 1.12.2022

Youtube: High-load capacity origami transformable wheel https://www.youtube.com/watch?v=gcNKSPCdkU4 Noudettu 1.12.2022

Happy Folding: Water Bomb (Eric Gjerde): Instructions https://www.happyfolding.com/instructions-gjerde-water_bomb Noudettu 1.12.2022

Endo Y., Kanamori Y., Mitani J. ja Zao Y. 2018: Approximating 3D surfaces using generalized waterbomb tessellations, Journal of Computational Design and Engineering 5(4): 442-448, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2288430017300556 Noudettu 1.12.2022

Youtube: Itai Cohen explains the physics of origami https://www.youtube.com/watch?v=VQXKgG7tsII Noudettu 1.12.2022