哈佛科學(xué)家利用簡(jiǎn)單幾何原理，制造可作為災(zāi)區(qū)緊急避難所的帳篷

在 2016 年的環(huán)法自行車(chē)賽上，巨大的充氣拱門(mén)突然倒塌，導(dǎo)致比賽被迫中止。

雖然充氣拱門(mén)易于運(yùn)輸和組裝，但這種充氣結(jié)構(gòu)大都是單穩(wěn)態(tài)的，需要恒定的壓力輸入才能保持固定形狀。事實(shí)上，臨時(shí)結(jié)構(gòu)存在一個(gè)設(shè)計(jì)學(xué)上的短板：它要么結(jié)構(gòu)緊湊便于運(yùn)輸，要么易于組裝，要么堅(jiān)固，但是三者難以兼得。例如充氣拱門(mén)雖然易運(yùn)輸和組裝，但難保安全和穩(wěn)定性。

事實(shí)上，傳統(tǒng)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)都未能很好的解決上述三者的兼容性問(wèn)題。最常見(jiàn)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)例如帳篷，它由相互連接的桿元件而成，外面覆上織物，形成一個(gè)密閉的空間。這些桿元件可以靈活伸縮，只要把連接各個(gè)桿的 “關(guān)節(jié)” 鎖定，就能形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而，帳篷的組裝過(guò)程一般比較繁瑣，遇到大風(fēng)也很容易被掀翻；另外一種則利用充氣膜，通過(guò)恒定的壓力輸入使其膨脹為特定形狀。這種結(jié)構(gòu)需要需要持續(xù)充氣，并且要求很好的氣密性，如果閥門(mén)泄漏或者充氣膜被刺破，就會(huì)倒塌甚至發(fā)生爆炸。

折紙藝術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了靈感。哈佛大學(xué)約翰 - 保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多穩(wěn)態(tài)米級(jí)充氣折紙結(jié)構(gòu)找到了三者之間的平衡點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)靈感源自折紙藝術(shù)，相關(guān)論文 4 月 22 日發(fā)表在 Nature 上。它在折疊時(shí)易于收納，充氣后可以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，無(wú)需持續(xù)充氣。論文的主要作者卡蒂婭?貝托迪（Katia Bertoldi）說(shuō)：“這項(xiàng)研究為新一代大型充氣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了直接途徑。這種結(jié)構(gòu)在布置后即可固定，不需要持續(xù)充氣就能夠保持固定。”

折紙已有較長(zhǎng)的歷史，科學(xué)家和工程師最近才將目光轉(zhuǎn)向這一古老的藝術(shù)?！罢奂埖恼嬲龔?qiáng)大之處在于，可以用一張紙?jiān)谌齻€(gè)維度上折疊成多種結(jié)構(gòu)?！?論文的第一作者 David 說(shuō)。在折紙的啟發(fā)下，研究人員通過(guò)幾何分析和實(shí)驗(yàn)，搭建了一個(gè)多穩(wěn)態(tài)的折紙形狀庫(kù)，它可以組合多種形狀，以構(gòu)建閉合的雙穩(wěn)態(tài)甚至多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。研究者將不同的三角形布置在同一空間內(nèi)，將其重新排列于 “柔性鉸鏈” 之上，從而分析如何組合不同三角形，以構(gòu)建多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

研究人員在論文中展示了許多不同形狀的結(jié)構(gòu)，例如拱門(mén)、可伸縮的吊桿甚至塔式結(jié)構(gòu)。David 說(shuō)：“這種結(jié)構(gòu)由剛性面制成，它可以折疊得非常緊湊?！?只需充氣，它就可以膨脹成多種特定結(jié)構(gòu)。

為了測(cè)試該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性，研究人員用厚塑料板設(shè)計(jì)并建造了一個(gè) 1 米 * 2 米 * 0.25 米 * 的充氣帳篷。在充氣后，它可以迅速展開(kāi)成一個(gè)內(nèi)部空間為 2.5 米 * 2.6 米 * 2.6 米的帳篷?！拔覀円揽繕?gòu)件的幾何形狀，而不是材料的特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。這意味著我們幾乎可以用所有材料，包括廉價(jià)的可回收材料來(lái)制造這些構(gòu)件?！?論文的另一位作者本杰明·格里森 （Benjamin Gorissen）介紹說(shuō)。

迄今為止，關(guān)于折紙結(jié)構(gòu)的大部分研究都以厘米為單位。SEAS 的研究將這一結(jié)構(gòu)擴(kuò)展了一個(gè)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了米級(jí)的折紙結(jié)構(gòu)。這意味著，該研究將促進(jìn)大型折紙結(jié)構(gòu)的工程學(xué)應(yīng)用。David 說(shuō)：“您可以想象，將這些充氣式帳篷用作災(zāi)區(qū)應(yīng)急響應(yīng)的避難所。它們可以堆放在卡車(chē)上，只需要一個(gè)壓力源就可以給它們充氣。充氣后，可以卸下壓力源，為下一個(gè)帳篷充氣?！?在災(zāi)害救援中，這種折紙能夠節(jié)省運(yùn)輸成本、儲(chǔ)存空間和安裝時(shí)間，實(shí)現(xiàn)安全快速部署。如今，部署軍事野戰(zhàn)醫(yī)院需要十幾個(gè)人，而折紙結(jié)構(gòu)的避難所可以由一兩個(gè)人快速搭建。

它不僅可以作為災(zāi)區(qū)的緊急避難所，還具備多種應(yīng)用前景。研究人員介紹，充氣折紙結(jié)構(gòu)可以成為防洪屏障、音樂(lè)廳中的可變音板，甚至是太空中的可折疊衛(wèi)星。此外，折紙結(jié)構(gòu)通過(guò)應(yīng)用不同的材料，可以滿足新型建筑物對(duì)光、熱的要求，成為傳統(tǒng)建筑材料，例如混凝土和磚的有效替代物。

“我們已經(jīng)建造了前所未有的大型充氣結(jié)構(gòu)空間，該結(jié)構(gòu)可以折疊成扁平狀并保持其展開(kāi)的形狀，而不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的破裂風(fēng)險(xiǎn)。” 論文的合著者查克?霍伯曼（Chuck Hoberman）說(shuō)，“折紙結(jié)構(gòu)通過(guò)可充氣 - 復(fù)原的致動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)硬壁結(jié)構(gòu)，我們相信它擁有重要的應(yīng)用前景。不僅僅是在地球上，它還可能作為月球或火星探索的棲息地?！?/span>

折紙充氣結(jié)構(gòu)使用的是高中課本上的簡(jiǎn)單幾何原理，David 說(shuō)。他們渴望通過(guò)最基本的幾何原理的應(yīng)用，革新工程技術(shù)并改變世界。不過(guò)，折紙結(jié)構(gòu)走向?qū)嶋H應(yīng)用還需進(jìn)一步的研究。在大型結(jié)構(gòu)被建造并用于建筑物中之前，仍需要解決幾個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檩^大的物體更容易受到壓縮應(yīng)力和牽引力的變化的影響。

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