萬(wàn)物皆可折疊：繼NASA用來(lái)造飛船太陽(yáng)能板后，人們又用“折紙”拯救流浪者

這一次，哈佛研究團(tuán)隊(duì)又將折紙應(yīng)用到充氣結(jié)構(gòu)中，試圖用可迅速自動(dòng)展開(kāi)、穩(wěn)定性高且攜帶方便的充氣折疊帳篷為流浪者們提供可靠的避難所。

2016 年的 7 月 8 日，環(huán)法自行車賽第七賽段進(jìn)入冠軍爭(zhēng)奪階段，英國(guó)車手斯蒂芬-卡明斯沖過(guò)終點(diǎn)線拿下賽段冠軍。

正當(dāng)人們?yōu)榇藨c祝時(shí)，意外的一幕發(fā)生了——充氣拱門在選手們最后一公里沖刺時(shí)倒塌，選手們來(lái)不及減速直撞在拱門上，賽道擁堵一片，現(xiàn)場(chǎng)混亂不堪。

此前又有《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道稱，英國(guó)一煙花匯演現(xiàn)場(chǎng)的大型充氣滑梯倒塌，8 名兒童從高處墜落，受傷情況嚴(yán)重。

從臨時(shí)醫(yī)院到運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館，充氣結(jié)構(gòu)在建筑當(dāng)中的應(yīng)用越來(lái)越多。但多數(shù)充氣結(jié)構(gòu)都是單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，需要恒定輸入氣體來(lái)保持充氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)。什么是“單穩(wěn)態(tài)”？

即當(dāng)你施加外力時(shí)，它可以改變狀態(tài)，而一旦外力撤銷，其狀態(tài)則無(wú)法保持，所以單穩(wěn)態(tài)是不穩(wěn)定的，例如樓道里的聲控?zé)?，沒(méi)有持續(xù)的聲音燈只能堅(jiān)持幾秒就滅。

這種單穩(wěn)態(tài)的充氣結(jié)合在以往的諸多意外事故中都讓人對(duì)其安全性和穩(wěn)固性產(chǎn)生不信任。

近日，Nature 發(fā)表了一項(xiàng)工程學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果，論文中，哈佛研究團(tuán)隊(duì)介紹了一種受折紙啟發(fā)的充氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)在充氣展開(kāi)后可以穩(wěn)定地固定在原地，并不需要持續(xù)充氣就能維持形態(tài)。

該結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一種大型折紙，通過(guò)特殊的折疊，該結(jié)構(gòu)可原地部署并穩(wěn)固地被“鎖定”。此研究為大型結(jié)構(gòu)的工程學(xué)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

論文通訊作者、美國(guó)哈佛大學(xué)卡蒂亞·貝托爾迪 （Katia Bertoldi） 教授和他的同事受到折紙藝術(shù)的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)三角形積木庫(kù)，這些積木可以彈出或折平，甚至還可以用不同的配置進(jìn)行組合，以建立封閉、多態(tài)的結(jié)構(gòu)。

我們都知道，三角形是最穩(wěn)定的形狀。通過(guò)基礎(chǔ)的三角形來(lái)進(jìn)行多項(xiàng)組合，加之鉸鏈裝置的靈活度，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出能在充氣后能自主支撐擴(kuò)展的折紙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以用真空泵壓縮變回扁平。

美國(guó)東南大學(xué)材料科學(xué)和機(jī)械工程系副教授、論文共同第一作者本杰明·格里森 （Benjamin Gorissen） 說(shuō)：“我們依靠的是這些積木的幾何形狀，而不是材料特性，這意味著我們可以用幾乎任何材料來(lái)制作這些積木，包括廉價(jià)的可回收材料。”

研究者演示了一個(gè)用厚塑料板制成的 2.5米×2.6米×2.6 米 的避難帳篷，折疊后帳篷的尺寸只有 1.0米×2.0米×0.25 米。今天的軍事野戰(zhàn)醫(yī)院搭建一個(gè)避難帳篷需要十幾個(gè)人，而現(xiàn)在只需要兩個(gè)人。

“你可以想象這些庇護(hù)所被部署為災(zāi)區(qū)應(yīng)急響應(yīng)的一部分，”哈佛大學(xué)的博士生、該論文的第一作者之一大衛(wèi)-梅蘭芳 （David Melancon） 說(shuō)。"它們可以平放在卡車上，你只需要一個(gè)壓力源來(lái)給它們充氣。一旦被充滿，你就可以移除壓力源開(kāi)始給下一個(gè)帳篷充氣?！?br />

這些積木構(gòu)建可以根據(jù)需求隨意組合搭配，以搭建任何尺寸和形狀的結(jié)構(gòu)。研究人員這次還展示了其他作品，包括一個(gè)拱門，一個(gè)可延伸的吊桿和一個(gè)寶塔式結(jié)構(gòu)。

“我們已經(jīng)打開(kāi)了一個(gè)前所未有的大型充氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，這些結(jié)構(gòu)可以平整折疊，并保持其部署的形狀，且沒(méi)有破裂的災(zāi)難性風(fēng)險(xiǎn)，”論文的共同作者查克·霍伯曼（Chuck Hoberman）說(shuō)，“通過(guò)使用可充氣的、可逆的驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)硬墻結(jié)構(gòu)圍護(hù)，我們看到了重要的應(yīng)用，不僅在地球上，而且有可能作為月球或火星探測(cè)的棲息地。”

盡管如此，研究者們也指出，在成果真正投入大規(guī)模使用前，還有很多問(wèn)題亟待解決，大型物體可能更容易受到壓縮、拉伸應(yīng)力以及變形的影響，這些變量都要考慮在內(nèi)。

折紙（折り紙，Origami） 被西方國(guó)家認(rèn)為是一項(xiàng)起源于日本的古老藝術(shù)，這一點(diǎn)從它的英文得以一窺。從醫(yī)學(xué)、材料、機(jī)器人設(shè)計(jì)再到太空飛船項(xiàng)目，如今“折紙結(jié)構(gòu)”的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，研究者們?cè)桨l(fā)從這項(xiàng)以往只屬于童年回憶的傳統(tǒng)藝術(shù)中汲取到了邁向未來(lái)的動(dòng)力。

什么是“折紙結(jié)構(gòu)” （Origami Structure） ？通常認(rèn)為，不經(jīng)過(guò)剪裁、拼貼和撕裂，僅由一張紙折疊而成的結(jié)構(gòu)叫做折紙結(jié)構(gòu)。

折紙結(jié)構(gòu)的最大好處便是節(jié)省體積。這對(duì)于寸土寸金的太空探索項(xiàng)目來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

布萊恩·特雷塞 （Brian Trease） 還在日本學(xué)習(xí)時(shí)，曾在快餐店里把漢堡包裝紙折成一個(gè)起重機(jī)，當(dāng)時(shí)還是學(xué)生的他喜歡泡在圖書(shū)館里研究不同的折紙技術(shù)。

如今，特雷塞已成為 NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的 （JPL） 的一名機(jī)械工程師，他在思考如何將折紙融入太空設(shè)備。

特雷賽與楊百翰大學(xué)的研究人員合作，在 NASA 技術(shù)研究獎(jiǎng)學(xué)金的資助下進(jìn)行折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)航天器組件的研究。兩個(gè)夏天之后，特雷賽展示了他們的成果——一個(gè)可折疊的太陽(yáng)能電池板。

此前的太空設(shè)備中已包括了一些簡(jiǎn)單的折疊設(shè)計(jì)，像扇子或手風(fēng)琴，但特雷塞和他的同事對(duì)更復(fù)雜的折疊工藝感興趣，這些折疊工序可以簡(jiǎn)化整體機(jī)械結(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)化部署。

在他們的設(shè)計(jì)下，直徑長(zhǎng)達(dá) 25 米的太陽(yáng)能電池板可以在折疊情況下縮小到 2.7 米，折疊、打包一氣呵成，這不僅為宇航員們節(jié)省了不少空間和成本，也為火箭運(yùn)輸降低了難度。

特雷賽說(shuō)道：“這是藝術(shù)，文化和技術(shù)的獨(dú)特結(jié)合?！?/span>

特雷賽提到的“三浦折疊” （Miura origami），是由日本天體物理學(xué)家三浦公亮 （Koryo Miura） 發(fā)明的一種特殊折疊方法。該結(jié)構(gòu)只需沿著單一軸線方向拉伸，即可展成平行四邊形的“棋盤”，反向一推即可立即收攏。“三浦折疊”的放縮比為 25:1，中國(guó)設(shè)計(jì)師裴浩正后來(lái)改進(jìn)為 81:1。

“三浦折疊”在隔音墻、太陽(yáng)能電池板 、衛(wèi)星等方面得到良好的應(yīng)用，因此在 2006 年被日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省評(píng)為百****明之一。

特雷賽及其同事的設(shè)計(jì)受到“三浦折疊”的啟發(fā)，但使用的并不是“三浦折疊”，而是多種折疊方式的組合。

特雷賽表示，直到 40 年前，折紙才被正視為一項(xiàng)嚴(yán)肅的數(shù)學(xué)分析議題。如今，人們對(duì)越來(lái)越感興趣將折紙與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合起來(lái)。

他說(shuō)道：“人們認(rèn)為折紙是個(gè)‘老玩意’，但人們?nèi)栽谟脭?shù)學(xué)這一古老學(xué)科來(lái)創(chuàng)造新事物?！?br />
-End-

參考：
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