“摺紙” 也能發 Nature?
2021年04月26日10:14

  來源:學術頭條

  臨時結構通常存在設計上的短板,要麼可以輕鬆放置和拆卸,要麼可以壓縮起來緊湊運輸,要麼結構堅固卻十分笨重,想要在這三點之間找一個平衡,從工程學角度來講是項不小的挑戰。

  最常見的方法,例如帳篷,主要是由相互連接的杆元件組成,外面蒙上一層織物,這些杆元件可以同步伸縮,然後把連接各個杆的 “關節” 鎖定,就能形成一個相對穩定的結構,不過這個組裝過程比較繁瑣,遇到大風也很容易被掀翻。

  其次就是利用充氣膜,通過單一的壓力輸入使其變形為目標形狀,這種結構需要很好的氣密性,有時候還需要持續充氣,如果閥門泄漏或者被刺破,很快就會萎縮甚至發生爆炸事故。

  而建築工地上隨處可見的臨時板房就不用說了,結構相當穩固,但板材運輸、拆卸搭建多有不便。

  現在,十分有創意的解決方案來了。來自哈佛大學的科學家團隊成功開發出一種米級、多穩態的充氣摺紙結構,而靈感來源於古老的摺紙手藝。

  圖|摺紙可形成一定的穩固結構或樣式(來源:Cristian Marianciuc)

  這種充氣摺紙結構摺疊起來時非常容易收納,但充一下氣就能自動展開成特定的空間結構,比如拱門或避難帳篷等,不需要額外在內部進行結構支撐,這項研究或為大型摺紙結構的工程學應用鋪平了道路,相關論文於 4 月 22 日發表在《自然》(Nature)上。

  圖|充一下氣就能自己支撐起來的拱門和帳篷(來源:Nature)

  當摺紙遇見幾何學

  這項研究成果,可以稱得上是幾何科學和摺紙藝術的一次完美碰撞。

  論文的通訊作者之一卡蒂婭・貝托迪(Katia Bertoldi)是哈佛大學應用力學教授,致力於研究材料和結構的力學;另一位通訊作者查克・霍伯曼(Chuck Hoberman)則是一位知名的藝術家、工程師、建築師和發明家,其特長就是研究摺疊玩具和相關結構,他發明的 “霍伯曼球體” 曾被紐約現代藝術博物館收藏。

  關於打造一個全新的充氣摺紙結構,研究人員們在下手之前就有以下幾點設想:(1)摺疊時佔據儘可能小的體積;(2)能自主展開;(3)展開後自主鎖定到位;(4)能提供結構牢固的外殼(如果設計用於定義封閉環境)。

  想要達到上述幾點要求,團隊需要從摺紙的第一個環節開始:折三角形。

  三角形摺紙作為一種藝術形式的同時,具有較強的物理功能特性,而這種全新摺紙結構的實現,難度就在於選擇什麼樣角度的三角形,以及如何將諸多三角形拚合到一個空間物體中,且相互之間是幾何兼容的狀態。

  圖|三角形面作為大型充氣和雙穩態結構的構建塊(來源:Nature)

  這個看上去很複雜的問題,依據的幾何原理卻很基礎,即某些三角的角度可以在一個圓中保持固定,它移動到不同位置會有不同的邊長變化,而一個三角形可以在圓中的不同位置找到能夠重合的另一個三角形。

  經過一系列複雜的幾何分析和實驗數據積累,研究人員得以創建了一個雙穩態摺紙圖形庫,用來匹配不同三角形邊、角的最佳組合。在驅動設計方面,採用單一的流體壓力輸入來部署,然後,還可將不同的單元組合起來,以米為單位構建更大的功能性結構,如拱門和應急避難帳篷,形成大型充氣結構系統。

  圖|雙穩態和充氣摺紙構造原理(來源:Nature)

  這些不同三角形的面板可以由特殊的材料板製成,用來保障其堅固性、隔音性和保溫性等,然後由相對柔性的 “鉸鏈” 拚接在一起,根據空間和預期的模型形狀變化,推算這些三角形的大小和排列組合,以創建單一穩定或者多穩定性的結構系統。

  在研究人員的演示中,他們製作了一個高 20 釐米、寬 30 釐米的摺疊結構,其充氣後可膨脹成為高 60 釐米寬 150 釐米的充氣拱門。

  圖|摺紙帳篷和拱門的結構拆解圖(來源:Nature)

  另外一個作品是,摺疊後尺寸只有 1.0 米 ×2.0 米 ×0.25 米的扁平壓縮包,展開後是一個內部空間達 2.5 米 ×2.6 米 ×2.6 米的帳篷,由於多穩態結構設計,在不影響結構完整性的情況下這個帳篷的一個面還可當作 “門” 被打開,從而使帳篷易於進出,非常具有實用價值,用完之後,再拿真空吸塵器抽一下內部空氣,小帳篷即可以自主摺疊回扁平狀態。

  迄今為止,有關摺紙的大部分作品基本都留在釐米級尺寸,但科學家們利用其中的設計理念,將摺紙的幾何形狀推向了新的極限,從而能變得大得多,而且結構十分穩定。

  充滿想像的用途

  研究人員在論文結論中表示,這一成果展示了如何有效地利用幾何學來實現壓力展開摺紙結構,且同時實現兩種能力配置:一個是緊湊和一個是擴展。如果需要考慮到負載條件和製造方面的挑戰,這種設計方法還可以擴展到更大或更小的規模。

  由於這種摺紙結構是多穩態的,因此它們可以設計成實現不同部署目標的序列,通過引入兩個以上不同面的構建模塊,進一步擴展其可實現形狀的範圍。

  作為這項研究的補充,研究人員開發了一個能夠預測全能量景觀的力學模型,這提供了一個有效的工具來指導更多有趣的相關探索。此外,這項研究成果所發明的設計規則,也可以推廣到任意摺紙多面體上,並結合隨機優化算法求解逆設計問題,進而有效計算出能在目標穩定狀態之間切換的可展開結構。

  圖|新型 “摺紙” 帳篷與傳統帳篷比較(來源:Nature Video)

  把摺紙技術整得這麼高級有什麼用呢?顯而易見,以上述能摺疊的小帳篷為例,貧困地區和受災地區緊急避難所的人們十分需要它,這個 “摺紙帳篷” 就像一個小房子,相比容易被吹倒、吹翻的自建帳篷,以及繁瑣的搭建過程,這種摺疊帳篷只需要一個人和一台氣泵,充一次氣就能快速展開,而且結構穩定,便於大量運輸,不需要持續進行充氣。災區物資支援人員充完一個再去充下一個,效率會十分高,快速部署給災民提供庇護。

  研究人員對這種技術還有更多展望,比如可以用作防洪屏障、音樂廳中的可變回音板,甚至是航天器上所需的複雜摺疊結構。

  在建築設計領域,這種結構理念可能也是一種新穎的建築輔助方式,與傳統的建築材料和空間搭配,能夠形成一個可變的空間系統,比如下圖所展示的會議室和創意建築,堪稱滿滿的幾何美學和藝術感。不過,大跨度結構在部署的階段需要有更牢固和抗老化的結構,以滿足建築法規的要求。

  這不禁令人感歎,藝術和科學一定程度是相通的吧,誰能想到,不起眼的摺紙手藝還能這樣玩?

  來自普林斯頓大學土木與環境工程系的專家 Sigrid Adriaenssens 在評論這項研究時表示,這種摺紙結構優點多多,例如節省儲存空間、運輸成本和搭建時間,自動展開鎖定,還能確保展開後結構牢靠等特性,值得稱讚。

  但在大規模投入使用前,還有很多問題需要解決。比如大型物體可能更易受到壓縮和拉伸應力以及變形的影響。另外,因為 “鉸鏈” 通常是任何工程設計中最昂貴和最脆弱的元件,所以最小化摺痕的數量或將有助於降低製造成本,進一步加強摺紙結構。

視頻精選
更多新聞