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万物皆可折叠:继NASA用来造飞船太阳能板后,人们又用“折纸”拯救流浪者

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当“手残党”们还在费神地研究折纸玫瑰时,工程师们已经将折纸这项古老艺术从地面送上了太空,从折叠心脏支架到折叠飞船太阳能板,这些神奇的脑洞生动诠释了“万物皆可折叠”的道理。

  
这一次,哈佛研究团队又将折纸应用到充气结构中,试图用可迅速自动展开、稳定性高且携带方便的充气折叠帐篷为流浪者们提供可靠的避难所。


  图 | 由厚塑料片制成的帐篷,可以充气弹起或折叠成平整的形状。(来源:Nature Video)

  
2016 年的 7 月 8 日,环法自行车赛第七赛段进入冠军争夺阶段,英国车手斯蒂芬-卡明斯冲过终点线拿下赛段冠军。

  正当人们为此庆祝时,意外的一幕发生了——充气拱门在选手们最后一公里冲刺时倒塌,选手们来不及减速直撞在拱门上,赛道拥堵一片,现场混乱不堪。

  此前又有《卫报》报道称,英国一烟花汇演现场的大型充气滑梯倒塌,8 名儿童从高处坠落,受伤情况严重。


图 | 2016 环法自行车赛第七赛段,选手们在冲刺时充气拱门坍塌,导致多名选手受伤(来源:YouTube)

  从临时医院到运动场馆,充气结构在建筑当中的应用越来越多。但多数充气结构都是单稳态结构,需要恒定输入气体来保持充气结构稳态。什么是“单稳态”?

  即当你施加外力时,它可以改变状态,而一旦外力撤销,其状态则无法保持,所以单稳态是不稳定的,例如楼道里的声控灯,没有持续的声音灯只能坚持几秒就灭。

  这种单稳态的充气结合在以往的诸多意外事故中都让人对其安全性和稳固性产生不信任。

  近日,Nature 发表了一项工程学领域的最新研究成果,论文中,哈佛研究团队介绍了一种受折纸启发的充气结构设计,该结构在充气展开后可以稳定地固定在原地,并不需要持续充气就能维持形态。

  该结构实际上是一种大型折纸,通过特殊的折叠,该结构可原地部署并稳固地被“锁定”。此研究为大型结构的工程学应用奠定基础。

  流浪者的福音:“说走就走”的安全避难所

  论文通讯作者、美国哈佛大学卡蒂亚·贝托尔迪 (Katia Bertoldi) 教授和他的同事受到折纸艺术的启发,开发了一个三角形积木库,这些积木可以弹出或折平,甚至还可以用不同的配置进行组合,以建立封闭、多态的结构。

  我们都知道,三角形是最稳定的形状。通过基础的三角形来进行多项组合,加之铰链装置的灵活度,研究团队设计出能在充气后能自主支撑扩展的折纸结构,该结构可以用真空泵压缩变回扁平。

  美国东南大学材料科学和机械工程系副教授、论文共同第一作者本杰明·格里森 (Benjamin Gorissen) 说:“我们依靠的是这些积木的几何形状,而不是材料特性,这意味着我们可以用几乎任何材料来制作这些积木,包括廉价的可回收材料。”

  研究者演示了一个用厚塑料板制成的 2.5米×2.6米×2.6 米 的避难帐篷,折叠后帐篷的尺寸只有 1.0米×2.0米×0.25 米。今天的军事野战医院搭建一个避难帐篷需要十几个人,而现在只需要两个人。

  “你可以想象这些庇护所被部署为灾区应急响应的一部分,”哈佛大学的博士生、该论文的第一作者之一大卫-梅兰芳 (David Melancon) 说。"它们可以平放在卡车上,你只需要一个压力源来给它们充气。一旦被充满,你就可以移除压力源开始给下一个帐篷充气。”


  图 | 由厚塑料片制成的帐篷,可以充气弹起或折叠成平整的形状(来源:Harvard SEAS)

  这些积木构件可以根据需求随意组合搭配,以搭建任何尺寸和形状的结构。研究人员这次还展示了其他作品,包括一个拱门,一个可延伸的吊杆和一个宝塔式结构。


图|一个高 20 厘米宽 30 厘米的折叠结构充气后可成为高 60 厘米宽 150 厘米的充气拱门。(来源:Nature)

  
“我们已经打开了一个前所未有的大型充气结构的设计空间,这些结构可以平整折叠,并保持其部署的形状,且没有破裂的灾难性风险,”论文的共同作者查克·霍伯曼(Chuck Hoberman)说,“通过使用可充气的、可逆的驱动装置来实现硬墙结构围护,我们看到了重要的应用,不仅在地球上,而且有可能作为月球或火星探测的栖息地。

  尽管如此,研究者们也指出,在成果真正投入大规模使用前,还有很多问题亟待解决,大型物体可能更容易受到压缩、拉伸应力以及变形的影响,这些变量都要考虑在内。

  通过古老的折纸艺术走向未来

  折纸(折り紙,Origami) 被西方国家认为是一项起源于日本的古老艺术,这一点从它的英文得以一窥。从医学、材料、机器人设计再到太空飞船项目,如今“折纸结构”的应用已越来越广泛,研究者们越发从这项以往只属于童年回忆的传统艺术中汲取到了迈向未来的动力。

  什么是“折纸结构” (Origami Structure)?通常认为,不经过剪裁、拼贴和撕裂,仅由一张纸折叠而成的结构叫做折纸结构。

  折纸结构的最大好处便是节省体积。这对于寸土寸金的太空探索项目来说至关重要。

  布莱恩·特雷塞 (Brian Trease) 还在日本学习时,曾在快餐店里把汉堡包装纸折成一个起重机,当时还是学生的他喜欢泡在图书馆里研究不同的折纸技术。

  如今,特雷塞已成为 NASA 喷气推进实验室的 (JPL) 的一名机械工程师,他在思考如何将折纸融入太空设备。


  图 | 特雷赛设计的可折叠的太阳能板(来源:Brigham Young University)

  特雷赛与杨百翰大学的研究人员合作,在 NASA 技术研究奖学金的资助下进行折纸结构设计航天器组件的研究。两个夏天之后,特雷赛展示了他们的成果——一个可折叠的太阳能电池板。

  此前的太空设备中已包括了一些简单的折叠设计,像扇子或手风琴,但特雷塞和他的同事对更复杂的折叠工艺感兴趣,这些折叠工序可以简化整体机械结构并简化部署。

  在他们的设计下,直径长达 25 米的太阳能电池板可以在折叠情况下缩小到 2.7 米,折叠、打包一气呵成,这不仅为宇航员们节省了不少空间和成本,也为火箭运输降低了难度。

  特雷赛说道:“这是艺术,文化和技术的独特结合。”


(来源:NASA)

  特雷赛提到的“三浦折叠” (Miura origami),是由日本天体物理学家三浦公亮 (Koryo Miura) 发明的一种特殊折叠方法。该结构只需沿着单一轴线方向拉伸,即可展成平行四边形的“棋盘”,反向一推即可立即收拢。“三浦折叠”的放缩比为 25:1,中国设计师裴浩正后来改进为 81:1。

  “三浦折叠”在隔音墙、太阳能电池板 、卫星等方面得到良好的应用,因此在 2006 年被日本经济产业省评为百大发明之一。

  特雷赛及其同事的设计受到“三浦折叠”的启发,但使用的并不是“三浦折叠”,而是多种折叠方式的组合。

  特雷赛表示,直到 40 年前,折纸才被正视为一项严肃的数学分析议题。如今,人们对越来越感兴趣将折纸与现代技术结合起来。

  他说道:“人们认为折纸是个‘老玩意’,但人们仍在用数学这一古老学科来创造新事物。”

  -End-

  参考:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03407-4
https://www.youtube.com/watch?v=Y-6fKoqKEKo
https://www.seas.harvard.edu/news/2021/04/bistable-pop-structures-inspired-origami
https://www.nasa.gov/jpl/news/origami-style-solar-power-20140814
https://www.youtube.com/watch?v=3E12uju1vgQ

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