一张纸撑起一辆出租车！14岁少年用折纸找到超越万倍自重结构极限

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一张看似普通的、表面布满平行四边形的纸张，在被拉动对角边缘的时候，会顺畅地向四周扩张成原本面积数倍的平面；而只需轻轻推挤，它又会沿着预设的路径，回归为一个厚度紧凑的矩形块。

（来源：维基百科）

这种特殊的几何构型被称为“三浦折叠”（Miura-ori）。它由日本天体物理学家三浦公亮在 20 世纪 70 年代提出。从拓扑学角度看，三浦折叠属于一种特殊的刚性折叠，其核心逻辑在于利用一组平行且相互交错的山折（Mountain fold）与谷折（Valley fold），将平面划分为无数个完全相同的平行四边形单元。在变形过程中，除了折痕处的转动，每一个面片本身都不产生弯曲。这种“一拉即得”的联动性，以及展开过程中的双向扩张特征，被用于航空航天、超材料和结构力学领域，其最早的空间应用之一是 1995 年发射的日本空间飞行单元卫星。

日前，来自纽约的 14 岁华裔少年 Miles Wu 发现，一张简单的纸折叠成三浦折纸的形状，竟然可以承受自身 1 万倍的重量。凭借该创新成果，他赢得了 2025 年“赛默飞科学青少年创新挑战赛”的冠军，以及 2.5 万美元奖金。该赛事由美国科学学会自 1999 年起主办，是美国面向中学生的顶尖 STEM（科学、技术、工程和数学）竞赛。

图 | 项目海报（来源：科学学会）

Miles 的折纸之路始于 7 岁。那时，他只是喜欢折纸飞机和小动物。但疫情期间，这个爱好开始升级：他把家变成小型折纸工厂，亲手折了 200 只精致的纸鸽子，全部卖掉后把钱捐给了野生鸟类基金会 Wild Bird Fund。他还参加过“Origami By Children”儿童折纸比赛，作品甚至被美国自然历史博物馆（AMNH）选为圣诞树装饰。

2024 年，他开始探索折纸艺术除了作为一种创作方式之外的其他可能性。“我开始阅读有关不同类型几何折纸如何因其各种物理特性而被研究并应用于 STEM 领域的资料。”

随着他对几何折纸在 STEM 领域应用的深入阅读，这种爱好演变成了科研探索。他察觉到，现有的灾害救援设施存在一个明显的矛盾：足够坚固的结构往往沉重且难以运输，而轻便易拆装的临时帐篷又往往难以抵御极端的风雨天气。

为了解决这个痛点，Miles 将目光锁定在了三浦折叠，这种结构天然具备可折叠性与高强重比的双重特点。

为了找到最坚固的折叠方式，Miles 测试了折叠图案的强重比（即它们能承受的重量与其自身重量之比）。他首先利用计算机程序绘制了 54 种三浦折叠的变体，设置的变量包括：平行四边形的高度（1 英寸或 2 英寸）、宽度（0.5、1、2 英寸）以及折叠角度（45、60、75 度）；此外，使用了三种不同类型的纸张（40lb 复印纸、65lb 轻卡纸和 110lb 重卡纸），针对 54 种不同的变体进行了总计 108 次试验。

为了消除手工折叠带来的微小应力不均，Miles 使用了专业的压痕机来确保折痕的绝对精准。然后，将每一个表面积约为 64 平方英寸（约相当于 A4 纸三分之二大小）的纸片放置在间隔 5 英寸的护栏之间，逐一增加负重，直至结构损坏。

结果发现，最强组合是 1 英寸高、0.5 英寸宽、75°、40lb 复印纸，能够承受自身重量 10,673 倍的压力。

“在实验开始时，我以为最强固的三浦折叠只能承受约 50 磅（约 22.7 公斤）的重量，我用家里的教科书就能压垮它们。”但令他惊讶的是，这些图案承受了高达 200 磅（约 90.7 公斤）的重量，家里能找到的书籍、铸铁平底锅和其他重物根本不足以测量出折纸的极限强度。

“最后我不得不求父母去买 50 磅重的练习哑铃，”Wu 说。他测试的最强三浦折叠结构承受了超过其自重 1 万倍的重量。“换句话说，这个比例相当于一辆纽约市的出租车支撑着 4,000 多头大象的重量！”

（来源：科学学会）

普林斯顿大学的工程师 Glaucio H. Paulino 指出，Miles 的项目是一次出色的参数化探索，展示了如何将几何形状转化为结构特性。不过，他也提到，要实现功能性的避难所还有很多工作要做，例如考虑接头设计、材料厚度以及非线性缩放等工程要求。

未来，Miles 计划用硬纸板、铝板或碳纤维制作 1:1 比例原型，先尝试拱形结构，再扩展到完整的帐篷；测试真实场景下的性能：防水、防风、多方向侧向冲击、长期耐久性；用专业液压机继续优化参数，甚至探索其他折纸图案的潜力。

他还想写一本自己的折纸书，把复杂的工程概念用简单图案教给更多孩子。“我最想做的，是让这个设计真正帮到灾区的人，”他说，“不是停留在实验室或新闻里，而是变成能救命的工具。”

1.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E6%B5%A6%E6%91%BA%E7%96%8A

2.https://www.smithsonianmag.com/innovation/this-14-year-old-is-using-origami-to-design-emergency-shelters-that-are-sturdy-cost-efficient-and-easy-to-deploy-180988179/

排版：胡巍巍