萬物皆可折疊：繼NASA用來造飛船太陽能板后，人們又用“折紙”拯救流浪者

這一次，哈佛研究團隊又將折紙應用到充氣結構中，試圖用可迅速自動展開、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入冠軍爭奪階段，英國車手斯蒂芬-卡明斯沖過終點線拿下賽段冠軍。

正當人們?yōu)榇藨c祝時，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倒塌，選手們來不及減速直撞在拱門上，賽道擁堵一片，現(xiàn)場混亂不堪。

此前又有《衛(wèi)報》報道稱，英國一煙花匯演現(xiàn)場的大型充氣滑梯倒塌，8 名兒童從高處墜落，受傷情況嚴重。

從臨時醫(yī)院到運動場館，充氣結構在建筑當中的應用越來越多。但多數(shù)充氣結構都是單穩(wěn)態(tài)結構，需要恒定輸入氣體來保持充氣結構穩(wěn)態(tài)。什么是“單穩(wěn)態(tài)”？

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

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

近日，Nature 發(fā)表了一項工程學領域的最新研究成果，論文中，哈佛研究團隊介紹了一種受折紙啟發(fā)的充氣結構設計，該結構在充氣展開后可以穩(wěn)定地固定在原地，并不需要持續(xù)充氣就能維持形態(tài)。

該結構實際上是一種大型折紙，通過特殊的折疊，該結構可原地部署并穩(wěn)固地被“鎖定”。此研究為大型結構的工程學應用奠定基礎。

論文通訊作者、美國哈佛大學卡蒂亞·貝托爾迪 （Katia Bertoldi） 教授和他的同事受到折紙藝術的啟發(fā)，開發(fā)了一個三角形積木庫，這些積木可以彈出或折平，甚至還可以用不同的配置進行組合，以建立封閉、多態(tài)的結構。

我們都知道，三角形是最穩(wěn)定的形狀。通過基礎的三角形來進行多項組合，加之鉸鏈裝置的靈活度，研究團隊設計出能在充氣后能自主支撐擴展的折紙結構，該結構可以用真空泵壓縮變回扁平。

美國東南大學材料科學和機械工程系副教授、論文共同第一作者本杰明·格里森 （Benjamin Gorissen） 說：“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制作這些積木，包括廉價的可回收材料?！?br />
研究者演示了一個用厚塑料板制成的 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)院搭建一個避難帳篷需要十幾個人，而現(xiàn)在只需要兩個人。

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

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

“我們已經打開了一個前所未有的大型充氣結構的設計空間，這些結構可以平整折疊，并保持其部署的形狀，且沒有破裂的災難性風險，”論文的共同作者查克·霍伯曼（Chuck Hoberman）說，“通過使用可充氣的、可逆的驅動裝置來實現(xiàn)硬墻結構圍護，我們看到了重要的應用，不僅在地球上，而且有可能作為月球或火星探測的棲息地。”

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，還有很多問題亟待解決，大型物體可能更容易受到壓縮、拉伸應力以及變形的影響，這些變量都要考慮在內。

折紙（折り紙，Origami） 被西方國家認為是一項起源于日本的古老藝術，這一點從它的英文得以一窺。從醫(yī)學、材料、機器人設計再到太空飛船項目，如今“折紙結構”的應用已越來越廣泛，研究者們越發(fā)從這項以往只屬于童年回憶的傳統(tǒng)藝術中汲取到了邁向未來的動力。

什么是“折紙結構” （Origami Structure） ？通常認為，不經過剪裁、拼貼和撕裂，僅由一張紙折疊而成的結構叫做折紙結構。

折紙結構的最大好處便是節(jié)省體積。這對于寸土寸金的太空探索項目來說至關重要。

布萊恩·特雷塞 （Brian Trease） 還在日本學習時，曾在快餐店里把漢堡包裝紙折成一個起重機，當時還是學生的他喜歡泡在圖書館里研究不同的折紙技術。

如今，特雷塞已成為 NASA 噴氣推進實驗室的 （JPL） 的一名機械工程師，他在思考如何將折紙融入太空設備。

特雷賽與楊百翰大學的研究人員合作，在 NASA 技術研究獎學金的資助下進行折紙結構設計航天器組件的研究。兩個夏天之后，特雷賽展示了他們的成果——一個可折疊的太陽能電池板。

此前的太空設備中已包括了一些簡單的折疊設計，像扇子或手風琴，但特雷塞和他的同事對更復雜的折疊工藝感興趣，這些折疊工序可以簡化整體機械結構并簡化部署。

在他們的設計下，直徑長達 25 米的太陽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，也為火箭運輸降低了難度。

特雷賽說道：“這是藝術，文化和技術的獨特結合?！?/span>

特雷賽提到的“三浦折疊” （Miura origami），是由日本天體物理學家三浦公亮 （Koryo Miura） 發(fā)明的一種特殊折疊方法。該結構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，中國設計師裴浩正后來改進為 81:1。

“三浦折疊”在隔音墻、太陽能電池板 、衛(wèi)星等方面得到良好的應用，因此在 2006 年被日本經濟產業(yè)省評為百****明之一。

特雷賽及其同事的設計受到“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嚴肅的數(shù)學分析議題。如今，人們對越來越感興趣將折紙與現(xiàn)代技術結合起來。

他說道：“人們認為折紙是個‘老玩意’，但人們仍在用數(shù)學這一古老學科來創(chuàng)造新事物。”

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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