“Blade Runner”, “Con Air”, “Heavy Rain” - какво е общото между тези представители на популярната култура? Всички, в една или друга степен, представят древното японско изкуство за сгъване на хартия - оригами. Във филми, игри и в реалния живот оригами често се използва като символ на определени чувства, спомени или уникално послание. Това е по-скоро емоционален компонент на оригами, но от научна гледна точка в хартиените фигури се крият много интересни аспекти от различни области: геометрия, математика и дори механика. Днес ще се запознаем с изследване, в което учени от Американския институт по физика създават устройство за съхранение на данни чрез сгъване/разгъване на оригами фигури. Как точно работи хартиената карта с памет, какви принципи са внедрени в нея и колко данни може да съхранява такова устройство? Отговор на тези въпроси ще намерим в доклада на учените. Отивам.
Изследователска база
Трудно е да се каже кога точно възниква оригами. Но със сигурност знаем, че не по-рано от 105 г. сл. Хр. През тази година Кай Лун изобретява хартията в Китай. Разбира се, преди този момент хартията вече е съществувала, но не е била направена от дърво, а от бамбук или коприна. Първият вариант не беше лесен, а вторият беше изключително скъп. Cai Lun беше натоварен със задачата да измисли нова рецепта за хартия, която да бъде лека, евтина и лесна за производство. Задачата не е лесна, но Cai Lun се обърна към най-популярния източник на вдъхновение – природата. Дълго време той наблюдава оси, чиито жилища са направени от дърво и растителни влакна. Цай Лун провежда много експерименти, в които използва различни материали за бъдеща хартия (дървесна кора, пепел и дори рибарски мрежи), смесени с вода. Получената маса се поставя в специална форма и се изсушава на слънце. Резултатът от тази колосална работа беше един прозаичен за съвременния човек предмет - хартия.
През 2001 г. в град Лейян (Китай) е открит парк на името на Цай Лун.
Разпространението на хартията в други страни не се случи веднага, едва в началото на XNUMX век нейната рецепта достигна до Корея и Япония, а хартията достигна Европа едва през XNUMX-XNUMX век.
Най-очевидната употреба на хартия е, разбира се, ръкописи и печат. Японците обаче намериха по-елегантно приложение за него - оригами, т.е. сгъваеми хартиени фигури.
Кратка екскурзия в света на оригами и инженерството.
Има голямо разнообразие от варианти на оригами, както и техники за изработката им: обикновено оригами, кусудама (модулно), мокро сгъване, оригами по шаблони, киригами и др. ()
От научна гледна точка оригами е механичен метаматериал, чиито свойства се определят от неговата геометрия, а не от свойствата на материала, от който е направен. От доста време беше демонстрирано, че универсални XNUMXD разгръщащи се структури с уникални свойства могат да бъдат създадени с помощта на повтарящи се оригами модели.
Изображение #1
На изображението 1b показва пример за такава структура - разгъваем духало, изградено от един лист хартия съгласно диаграмата на 1a. От наличните варианти за оригами учените са идентифицирали вариант, в който е изпълнена мозайка от еднакви триъгълни панели, подредени в циклична симетрия, известна като Крьослинг оригами.
Важно е да се отбележи, че структурите, базирани на оригами, се предлагат в два вида: твърди и нетвърди.
Твърдото оригами е триизмерна структура, в която само гънките между панелите претърпяват деформация по време на разгъване.
Забележителен пример за твърдо оригами е Miura-ori, използван за създаване на механични метаматериали с отрицателен коефициент на Поасон. Такъв материал има широк спектър от приложения: изследване на космоса, деформируема електроника, изкуствени мускули и, разбира се, препрограмируеми механични метаматериали.
Нетвърдите оригами са триизмерни структури, които показват нетвърда еластична деформация на панелите между гънките по време на разгъване.
Пример за такъв вариант на оригами е споменатият по-рано модел на Крьослинг, който успешно се използва за създаване на структури с регулируема мултистабилност, твърдост, деформация, омекване/втвърдяване и/или почти нулева твърдост.
Резултати от проучването
Вдъхновени от древното изкуство, учените решават да използват оригами на Крьослинг, за да разработят клъстер от механични бинарни превключватели, които могат да бъдат принудени да превключват между две различни статични състояния, използвайки един контролиран вход под формата на хармонично възбуждане, приложено към основата на превключвателя .
Както се вижда от 1b, силфонът е фиксиран в единия край и е подложен на външно натоварване в посока x в другия свободен край. Поради това той претърпява едновременно отклонение и въртене по и около оста x. Енергията, натрупана по време на деформацията на маншона, се освобождава, когато външното натоварване бъде премахнато, което кара маншона да се върне в първоначалната си форма.
Просто казано, разглеждаме торсионна пружина, чиято възстановителна сила зависи от формата на потенциалната енергийна функция на силфона. Това от своя страна зависи от геометричните параметри (a0, b0, γ0) на съставния триъгълник, използван за конструиране на силфона, както и от общия брой (n) на тези триъгълници (1a).
За определена комбинация от геометрични конструктивни параметри функцията на потенциалната енергия на силфона има единичен минимум, съответстващ на една стабилна равновесна точка. За други комбинации функцията на потенциалната енергия има два минимума, съответстващи на две стабилни статични конфигурации на силфони, всяка свързана с различна равновесна височина или, алтернативно, деформация на пружината (1s). Този тип пружина често се нарича бистабилна (видео по-долу).
На изображението 1d показва геометричните параметри, водещи до образуването на бистабилна пружина и параметрите, водещи до образуването на моностабилна пружина за n=12.
Една бистабилна пружина може да спре в една от позициите си на равновесие при липса на външни натоварвания и може да се активира, за да превключва между тях, когато е налично необходимото количество енергия. Именно това свойство е в основата на това изследване, което разглежда създаването на механични превключватели Kroesling (KIMS от Механични превключватели, вдъхновени от Kresling) с две двоични състояния.
По-специално, както е показано в 1c, превключвателят може да се активира за преход между двете си състояния чрез доставяне на достатъчно енергия за преодоляване на потенциалната бариера (∆E). Енергията може да бъде доставена под формата на бавно квазистатично задействане или чрез прилагане на хармоничен сигнал към основата на превключвателя с честота на възбуждане, близка до локалната резонансна честота на превключвателя в различните му равновесни състояния. В това проучване беше решено да се използва втората опция, тъй като хармоничната резонансна работа е по-добра от квазистатичната операция в някои отношения.
Първо, резонансното задействане изисква по-малко сила за превключване и обикновено е по-бързо. Второ, резонансното превключване е нечувствително към външни смущения, които не резонират с превключвателя в неговите локални състояния. Трето, тъй като потенциалната функция на превключвателя обикновено е асиметрична по отношение на нестабилната равновесна точка U0, характеристиките на хармоничното възбуждане, необходими за превключване от S0 към S1, обикновено са различни от тези, необходими за превключване от S1 към S0, което води до възможността за двоично превключване със селективно възбуждане.
Тази конфигурация на KIMS е идеална за създаване на многобитова платка с механична памет, използваща множество двоични превключватели с различни характеристики, поставени на една платформа, управлявана от хармоници. Създаването на такова устройство се дължи на чувствителността на формата на потенциалната енергийна функция на превключвателя към промените в геометричните параметри на основните панели (1е).
Следователно множество KIMS с различни дизайнерски характеристики могат да бъдат поставени на една и съща платформа и да бъдат развълнувани да преминат от едно състояние в друго, поотделно или в комбинация, като се използват различни набори от параметри на възбуждане.
На етапа на практическото изпитване е създаден превключвател от хартия с плътност 180 g/m2 с геометрични параметри: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm и n = 12. Това са параметрите, съдейки по изчисленията (1d), и водят до това, че получената пружина е бистабилна. Изчисленията бяха извършени с помощта на опростен модел на аксиалната ферма (пръчкова конструкция) на силфона.
С помощта на лазер бяха направени перфорирани линии върху лист хартия (1a), които са места за сгъване. След това бяха направени гънки по ръбовете b0 (извити навън) и γ0 (извити навътре), а ръбовете на далечните краища бяха плътно съединени. Горната и долната повърхност на превключвателя са подсилени с акрилни многоъгълници.
Кривата на силата на възстановяване на превключвателя е получена експериментално чрез тестове за натиск и опън, извършени на универсална машина за изпитване със специална настройка, позволяваща основата да се върти по време на тестовете (1f).
Краищата на полигона на акрилния превключвател бяха неподвижно фиксирани и към горния полигон беше приложено контролирано изместване при целева скорост от 0.1 mm/s. Преместванията на опън и натиск се прилагат циклично и са ограничени до 13 mm. Точно преди действителното тестване на устройството, превключвателят се регулира чрез извършване на десет такива цикъла на натоварване, преди силата на възстановяване да бъде записана с помощта на 50N динамометрична клетка. На 1g показва кривата на възстановяващата сила на превключвателя, получена експериментално.
След това, чрез интегриране на средната възстановителна сила на превключвателя в работния диапазон, функцията на потенциалната енергия (1h). Минимумите във функцията на потенциалната енергия представляват статични равновесия, свързани с двете състояния на превключвателя (S0 и S1). За тази конкретна конфигурация S0 и S1 се появяват при височини на разгръщане u = 48 mm и съответно 58.5 mm. Функцията на потенциалната енергия е ясно асиметрична с различни енергийни бариери ∆E0 в точка S0 и ∆E1 в точка S1.
Превключвателите бяха поставени върху електродинамичен шейкър, който осигурява контролирано възбуждане на основата в аксиална посока. В отговор на възбуждане горната повърхност на превключвателя осцилира във вертикална посока. Позицията на горната повърхност на превключвателя спрямо основата се измерва с помощта на лазерен виброметър (2a).
Изображение #2
Установено е, че локалната резонансна честота на превключвателя за двете му състояния е 11.8 Hz за S0 и 9.7 Hz за S1. За иницииране на преход между две състояния, тоест излизане от потенциален кладенец*беше извършено много бавно (0.05 Hz/s) двупосочно линейно честотно сканиране около идентифицираните честоти с базово ускорение от 13 ms-2. По-конкретно, KIMS първоначално беше позициониран на S0 и нарастващата честота беше инициирана при 6 Hz.
Потенциален кладенец* - областта, където има локален минимум на потенциалната енергия на частицата.
Както се вижда на 2bКогато честотата на задвижване достигне приблизително 7.8 Hz, превключвателят напуска потенциалната яма S0 и влиза в потенциалната яма S1. Превключвателят продължи да остава в S1, докато честотата се увеличаваше допълнително.
След това превключвателят отново беше настроен на S0, но този път намаляването беше инициирано при 16 Hz. В този случай, когато честотата се доближи до 8.8 Hz, превключвателят напуска S0 и влиза и остава в потенциалната яма S1.
Състоянието S0 има активираща лента от 1 Hz [7.8, 8.8] с ускорение от 13 ms-2, а S1 - 6...7.7 Hz (2s). От това следва, че KIMS може селективно да превключва между две състояния чрез хармонично възбуждане на база със същата величина, но различна честота.
Широчината на честотната лента на превключване на KIMS има сложна зависимост от формата на неговата потенциална енергийна функция, характеристиките на затихване и параметрите на хармонично възбуждане (честота и величина). Освен това, поради смекчаващото нелинейно поведение на превключвателя, честотната лента на активиране не включва непременно линейната резонансна честота. Поради това е важно картата за активиране на превключвателя да бъде създадена за всеки KIMS поотделно. Тази карта се използва за характеризиране на честотата и големината на възбуждането, което води до превключване от едно състояние в друго и обратно.
Такава карта може да бъде създадена експериментално чрез честотно преместване при различни нива на възбуждане, но този процес е много трудоемък. Ето защо учените решиха на този етап да преминат към моделиране на превключвателя, използвайки функцията на потенциалната енергия, определена по време на експериментите (1h).
Моделът предполага, че динамичното поведение на превключвателя може да бъде добре апроксимирано от динамиката на асиметричен бистабилен осцилатор на Хелмхолц-Дуфинг, чието уравнение на движение може да бъде изразено по следния начин:
където u — отклонение на подвижната страна на акрилния многоъгълник спрямо неподвижната; m — ефективна маса на превключвателя; c — коефициент на вискозно затихване, определен експериментално; ais—бистабилни коефициенти на възстановяваща сила; ab и Ω са основната величина и честотата на ускорение.
Основната задача на симулацията е да използва тази формула за установяване на комбинации от ab и Ω, които позволяват превключване между две различни състояния.
Учените отбелязват, че критичните честоти на възбуждане, при които бистабилният осцилатор преминава от едно състояние в друго, могат да бъдат приблизително определени с две честоти бифуркации*: бифуркация на удвояване на периода (PD) и бифуркация на циклично нагъване (CF).
Бифуркация* — качествено изменение на системата чрез промяна на параметрите, от които тя зависи.
Използвайки приближението, кривите на честотната характеристика на KIMS бяха конструирани в двете му състояния. На графиката 2е показва кривите на честотната характеристика на превключвателя при S0 за две различни базови нива на ускорение.
При базово ускорение от 5 ms-2 кривата амплитуда-честота показва леко омекване, но без нестабилност или бифуркации. По този начин превключвателят остава в състояние S0, независимо как се променя честотата.
Въпреки това, когато базовото ускорение се увеличи до 13 ms-2, стабилността намалява поради бифуркацията на PD, тъй като честотата на задвижване намалява.
Използвайки същата схема, бяха получени кривите на честотната характеристика на превключвателя в S1 (2f). При ускорение от 5 ms-2 наблюдаваният модел остава същият. Въпреки това, тъй като базовото ускорение се увеличава до 10ms-2 Появяват се PD и CF бифуркации. Възбуждането на превключването при всяка честота между тези две бифуркации води до превключване от S1 към S0.
Данните от симулацията предполагат, че има големи региони в картата за активиране, в които всяко състояние може да бъде активирано по уникален начин. Това ви позволява селективно да превключвате между две състояния в зависимост от честотата и големината на тригера. Може също да се види, че има област, в която и двете състояния могат да се превключват едновременно.
Изображение #3
Комбинация от няколко KIMS може да се използва за създаване на механична памет от няколко бита. Чрез промяна на геометрията на превключвателя, така че формата на функцията на потенциалната енергия на всеки два превключвателя да е достатъчно различна, е възможно да се проектира честотната лента на активиране на превключвателите, така че да не се припокриват. Поради това всеки превключвател ще има уникални параметри на възбуждане.
За да се демонстрира тази техника, беше създадена 2-битова платка на базата на два ключа с различни потенциални характеристики (3a): бит 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm и n = 12; бит 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm и n = 12.
Тъй като всеки бит има две състояния, могат да бъдат постигнати общо четири различни състояния S00, S01, S10 и S11 (3b). Числата след S показват стойността на левия (бит 1) и десния (бит 2) превключватели.
Поведението на 2-битов превключвател е показано във видеото по-долу:
Въз основа на това устройство можете също да създадете клъстер от превключватели, които могат да бъдат основата на многобитови платки с механична памет.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате и на него.
Епилог
Малко вероятно е някой от създателите на оригами да си представи как тяхното творение ще се използва в съвременния свят. От една страна, това показва голям брой сложни елементи, скрити в обикновени хартиени фигури; от друга страна, че съвременната наука е в състояние да използва тези елементи, за да създаде нещо напълно ново.
В тази работа учените са успели да използват оригами геометрията на Kroesling, за да създадат прост механичен превключвател, който може да бъде в две различни състояния, в зависимост от входните параметри. Това може да се сравни с 0 и 1, които са класическите единици за информация.
Получените устройства бяха комбинирани в система с механична памет, способна да съхранява 2 бита. Знаейки, че една буква заема 8 бита (1 байт), възниква въпросът: колко подобни оригами ще са необходими, за да се напише например „Война и мир“.
Учените са добре запознати със скептицизма, който тяхното развитие може да предизвика. Според тях обаче това изследване е изследване в областта на механичната памет. Освен това използваните в експериментите оригами не трябва да са големи, техните размери могат да бъдат значително намалени, без да се нарушават свойствата им.
Както и да е, тази работа не може да се нарече обикновена, банална или скучна. Науката не винаги се използва за разработване на нещо конкретно и учените не винаги първоначално знаят какво точно създават. В края на краищата повечето изобретения и открития са резултат от един прост въпрос - какво ще стане, ако?
Благодаря за гледането, бъдете любопитни и пожелавам страхотен уикенд на всички! 🙂
Малко реклама
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, , уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше изобретен от нас за вас: (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 пъти по-евтин в центъра за данни Equinix Tier IV в Амстердам? Само тук в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за
Източник: www.habr.com