"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - unsa ang komon niining mga representante sa popular nga kultura? Ang tanan, sa usa ka degree o lain, adunay bahin sa karaang Hapon nga arte sa pagpilo sa papel - origami. Sa mga salida, mga dula ug sa tinuod nga kinabuhi, ang origami sagad gigamit isip simbolo sa pipila ka mga pagbati, pipila ka mga panumduman o usa ka talagsaon nga mensahe. Kini labaw pa sa usa ka emosyonal nga bahin sa origami, apan gikan sa usa ka siyentipikong punto sa panglantaw, daghang makapaikag nga mga aspeto gikan sa nagkalainlaing mga dapit ang gitago sa mga numero sa papel: geometry, matematika ug bisan sa mekaniko. Karon kita masinati sa usa ka pagtuon diin ang mga siyentista gikan sa American Institute of Physics naghimo ug data storage device pinaagi sa pagpilo/pagbuklad sa mga numero sa origami. Sa unsa nga paagi nga ang usa ka papel nga memory card nagtrabaho, unsa nga mga prinsipyo ang gipatuman niini, ug unsa ka daghang data ang mahimo sa ingon nga device? Makaplagan nato ang mga tubag niini nga mga pangutana diha sa taho sa mga siyentipiko. Lakaw.
Basihan sa panukiduki
Lisod isulti kung kanus-a ang eksaktong origami nagsugod. Apan nahibal-an namon nga sigurado nga dili sayo sa 105 AD. Niining tuiga nga si Cai Lun nag-imbento og papel sa China. Siyempre, sa wala pa kini nga higayon, ang papel naglungtad na, apan dili kini hinimo gikan sa kahoy, apan gikan sa kawayan o seda. Ang una nga kapilian dili sayon, ug ang ikaduha mahal kaayo. Si Cai Lun gitahasan sa paghimo og bag-ong resipe alang sa papel nga gaan, barato, ug sayon ββbuhaton. Ang tahas dili sayon, apan si Cai Lun milingi sa labing popular nga tinubdan sa inspirasyon - ang kinaiyahan. Sa dugay nga panahon iyang naobserbahan ang mga tambuboan, kansang mga balay gama sa kahoy ug mga lanot sa tanom. Naghimo si Tsai Lun og daghang mga eksperimento diin gigamit niya ang lainlaing mga materyales alang sa umaabot nga papel (panit sa kahoy, abo ug bisan mga pukot sa pangisda) nga gisagol sa tubig. Ang resulta nga masa gibutang sa usa ka espesyal nga porma ug gipauga sa adlaw. Ang resulta niining dako nga buhat mao ang usa ka butang nga prosaic alang sa modernong tawo - papel.
Niadtong 2001, usa ka parke nga ginganlag Cai Lun ang giablihan sa siyudad sa Leiyang (China).
Ang pagkaylap sa papel sa ubang mga nasud wala dayon mahitabo; sa sinugdanan lamang sa ika-XNUMX nga siglo ang resipe niini nakaabot sa Korea ug Japan, ug ang papel nakaabot sa Europe lamang sa ika-XNUMX-XNUMX nga siglo.
Ang labing klaro nga paggamit sa papel, siyempre, mga manuskrito ug pag-imprenta. Bisan pa, ang mga Hapon nakakaplag usa ka labi ka matahum nga paggamit niini - origami, i.e. pagpilo sa mga numero sa papel.
Usa ka mubo nga ekskursiyon sa kalibutan sa origami ug engineering.
Adunay daghang lainlain nga kapilian sa origami, ingon man ang mga teknik sa paghimo niini: yano nga origami, kusudama (modular), basa nga pagpilo, pattern nga origami, kirigami, ug uban pa. ()
Gikan sa siyentipikanhong panglantaw, ang origami usa ka mekanikal nga metamaterial kansang mga kabtangan gitino pinaagi sa geometry niini, ug dili sa mga kabtangan sa materyal nga gigikanan niini. Gipakita kini sa dugay nga panahon nga ang daghang gamit nga XNUMXD nga ma-deploy nga mga istruktura nga adunay talagsaon nga mga kabtangan mahimoβg mahimo gamit ang balik-balik nga mga pattern sa origami.
Hulagway #1
Sa hulagway 1b nagpakita sa usa ka panig-ingnan sa maong usa ka istruktura - usa ka deployable bellows, nga gitukod gikan sa usa ka panid sa papel sumala sa diagram sa 1a. Gikan sa magamit nga origami nga mga kapilian, ang mga siyentipiko nakaila sa usa ka variant diin ang usa ka mosaic sa managsama nga triangular nga mga panel nga gihan-ay sa cyclic symmetry, nailhan nga Kroesling origami, gipatuman.
Mahinungdanon nga matikdan nga ang mga istruktura nga nakabase sa origami adunay duha ka klase: estrikto ug dili estrikto.
Ang estrikto nga origami usa ka three-dimensional nga istruktura diin ang mga pilo lamang sa taliwala sa mga panel ang moagi sa pagbag-o sa panahon sa pagbuklad.
Usa ka talagsaong pananglitan sa gahi nga origami mao ang Miura-ori, nga gigamit sa paghimo og mekanikal nga mga metamaterial nga adunay negatibo nga ratio sa Poisson. Ang ingon nga materyal adunay usa ka halapad nga aplikasyon: eksplorasyon sa kawanangan, deformable electronics, artipisyal nga mga kaunuran ug, siyempre, reprogrammable mekanikal nga mga metamaterial.
Ang non-rigid origami mao ang tulo-ka-dimensional nga mga istruktura nga nagpakita sa dili estrikto nga pagkamaunat-unat nga deformation sa mga panel tali sa mga pilo sa panahon sa pagbuklad.
Usa ka pananglitan sa ingon nga origami nga variant mao ang nahisgotan na nga Kroesling pattern, nga malampuson nga gigamit sa paghimo sa mga istruktura nga adunay tunable multi-stability, stiffness, deformation, softening/hardening, ug/o near-zero stiffness.
Mga resulta sa panukiduki
Nadasig sa karaang arte, nakahukom ang mga siyentista nga gamiton ang origami ni Kroesling aron makahimo og usa ka pungpong sa mekanikal nga binary switch nga mahimong mapugos sa pagbalhin tali sa duha ka lain-laing mga static nga estado gamit ang usa ka kontrolado nga input sa porma sa usa ka harmonic excitation nga gigamit sa base sa switch. .
Ingon sa nakita gikan sa 1b, ang mga bellow gitakda sa usa ka tumoy ug gipailalom sa usa ka eksternal nga karga sa x nga direksyon sa pikas nga libre nga tumoy. Tungod niini, kini moagi sa dungan nga pagtipas ug pagtuyok subay ug palibot sa x-axis. Ang enerhiya nga natipon sa panahon sa deformation sa mga bellows gipagawas sa diha nga ang gawas load gikuha, hinungdan sa mga bellows sa pagbalik sa iyang orihinal nga porma.
Sa yanong pagkasulti, nagtan-aw kami sa usa ka torsion spring kansang gahum sa pagpasig-uli nagdepende sa porma sa potensyal nga function sa enerhiya sa bellows. Kini sa baylo nagdepende sa geometric nga mga parameter (a0, b0, Ξ³0) sa composite triangle nga gigamit sa paghimo sa mga bellows, ingon man sa kinatibuk-ang gidaghanon (n) niini nga mga triangles (1a).
Alang sa usa ka piho nga kombinasyon sa geometric nga mga parameter sa disenyo, ang mga bellow nga potensyal nga pag-andar sa enerhiya adunay usa ka minimum nga katumbas sa usa ka stable nga punto sa balanse. Alang sa ubang mga kombinasyon, ang potensyal nga pag-andar sa enerhiya adunay duha ka minimum nga katumbas sa duha ka stable nga static bellows nga mga pag-configure, ang matag usa adunay kalabotan sa usa ka lahi nga gitas-on sa balanse o, sa laing paagi, pagtipas sa tingpamulak (1c). Kini nga matang sa tingpamulak sagad gitawag nga bistable (video sa ubos).
Sa hulagway 1d nagpakita sa geometric nga mga parametro nga nagpadulong sa pagporma sa usa ka bistable nga tubod ug ang mga parametro paingon sa pagporma sa usa ka monostable nga tubod para sa n=12.
Ang usa ka bistable nga tubod mahimong mohunong sa usa sa mga posisyon sa panimbang niini kung wala ang mga eksternal nga karga ug mahimong ma-aktibo aron mabalhin sa taliwala nila kung ang husto nga kantidad sa enerhiya magamit. Kini nga kabtangan mao ang basehan sa kini nga pagtuon, nga nagsusi sa paghimo sa Kroesling mechanical switch (KIMS gikan sa Kresling-inspirado nga mekanikal nga switch) nga adunay duha ka binary nga estado.
Sa partikular, ingon sa gipakita sa 1c, ang switch mahimong ma-activate sa transisyon tali sa duha ka estado niini pinaagi sa paghatag og igong kusog aron mabuntog ang potensyal nga babag (βE). Ang enerhiya mahimong mahatag sa porma sa hinay nga quasi-static actuation o pinaagi sa pag-aplay sa usa ka harmonic signal sa base sa switch nga adunay usa ka frequency sa excitation nga duol sa lokal nga resonant frequency sa switch sa lain-laing mga equilibrium states niini. Niini nga pagtuon, nakahukom nga gamiton ang ikaduha nga kapilian, tungod kay ang harmonic resonant nga operasyon mas labaw sa quasi-static nga operasyon sa pipila ka bahin.
Una, ang resonant actuation nanginahanglan gamay nga puwersa sa pagbalhin ug kasagaran mas paspas. Ikaduha, ang resonant switching insensitive sa mga external disturbances nga dili mo-resonate sa switch sa local states niini. Ikatulo, tungod kay ang potensyal nga function sa switch kasagaran asymmetrical kalabot sa dili lig-on nga equilibrium point U0, ang harmonic excitation nga mga kinaiya nga gikinahanglan alang sa pagbalhin gikan sa S0 ngadto sa S1 kasagaran lahi gikan sa gikinahanglan alang sa pagbalhin gikan sa S1 ngadto sa S0, nga moresulta sa posibilidad sa excitation-selective binary switching .
Kini nga pagsumpo sa KIMS maayo alang sa paghimo og usa ka multi-bit mechanical memory board gamit ang daghang binary switch nga adunay lainlaing mga kinaiya nga gibutang sa usa ka harmonic driven nga plataporma. Ang paghimo sa ingon nga aparato tungod sa pagkasensitibo sa porma sa potensyal nga function sa enerhiya sa switch sa mga pagbag-o sa geometric nga mga parameter sa mga nag-unang panel (1s).
Tungod niini, daghang mga KIMS nga adunay lainlaing mga kinaiya sa disenyo mahimong ibutang sa parehas nga plataporma ug naghinam-hinam sa pagbalhin gikan sa usa ka estado ngadto sa lain, tagsa-tagsa o ββsa kombinasyon gamit ang lain-laing mga set sa mga parameter sa excitation.
Sa yugto sa praktikal nga pagsulay, usa ka switch ang gihimo gikan sa papel nga adunay densidad nga 180 g / m2 nga adunay geometric nga mga parameter: Ξ³0 = 26.5 Β°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm ug n = 12. Kini ang mga parametro, sa paghukom sa mga kalkulasyon (1d), ug mosangpot sa resulta nga tubod nga mahimong bistable. Ang mga kalkulasyon gihimo gamit ang gipasimple nga modelo sa axial truss (rod structure) sa mga bellows.
Gamit ang laser, ang mga perforated nga linya gihimo sa usa ka piraso nga papel (1a), nga mga lugar nga napilo. Dayon gihimo ang mga pilo ubay sa mga ngilit b0 (curved outward) ug Ξ³0 (curved inward), ug ang mga ngilit sa halayong mga tumoy hugot nga gidugtong. Ang ibabaw ug ubos nga mga ibabaw sa switch gipalig-on sa acrylic polygons.
Ang pagpahiuli sa kusog nga kurba sa switch nakuha sa eksperimento pinaagi sa compression ug tensile nga mga pagsulay nga gihimo sa usa ka unibersal nga makina sa pagsulay nga adunay usa ka espesyal nga pag-setup nga nagtugot sa base nga i-rotate sa panahon sa mga pagsulay (1f).
Ang mga tumoy sa acrylic switch polygon hugot nga giayo, ug ang usa ka kontrolado nga pagbakwit gipadapat sa ibabaw nga polygon sa usa ka target nga gikusgon nga 0.1 mm / s. Ang tensile ug compressive displacements gipadapat cyclically ug limitado sa 13 mm. Sa wala pa ang aktuwal nga pagsulay sa aparato, ang switch gi-adjust pinaagi sa paghimo sa napulo ka ingon nga mga siklo sa pagkarga sa wala pa marekord ang kusog sa pagpahiuli gamit ang usa ka 50N nga load cell. Sa 1g nagpakita sa pagpasig-uli sa kurba sa puwersa sa switch nga nakuha sa eksperimento.
Sunod, pinaagi sa paghiusa sa kasagaran nga pwersa sa pagpasig-uli sa switch sa operating range, ang potensyal nga function sa enerhiya (1h). Ang minimum sa potensyal nga function sa enerhiya nagrepresentar sa static nga equilibria nga nalangkit sa duha ka switch states (S0 ug S1). Alang niining partikular nga configuration, ang S0 ug S1 mahitabo sa deployment heights u = 48 mm ug 58.5 mm, matag usa. Ang potensyal nga function sa enerhiya klaro nga asymmetric nga adunay lain-laing mga babag sa enerhiya βE0 sa punto S0 ug βE1 sa punto S1.
Ang mga switch gibutang sa usa ka electrodynamic shaker, nga naghatag kontrolado nga pagpukaw sa base sa direksyon sa axial. Agig tubag sa kahinam, ang ibabaw nga nawong sa switch nag-oscillates sa usa ka bertikal nga direksyon. Ang posisyon sa ibabaw nga nawong sa switch kalabot sa base gisukod gamit ang laser vibrometer (2a).
Hulagway #2
Nakaplagan nga ang lokal nga resonant frequency sa switch alang sa duha ka estado niini mao ang 11.8 Hz para sa S0 ug 9.7 Hz para sa S1. Sa pagsugod sa usa ka transisyon tali sa duha ka mga estado, nga mao, ang usa ka exit gikan sa potensyal nga maayo *, usa ka hinay kaayo (0.05 Hz/s) bidirectional linear frequency sweep ang gihimo sa palibot sa giila nga mga frequency nga adunay base acceleration nga 13 ms-2. Sa piho, ang KIMS sa sinugdan gipahimutang sa S0 ug ang nagkadaghang frequency sweep gisugdan sa 6 Hz.
Potensyal nga atabay* - ang rehiyon diin adunay lokal nga minimum sa potensyal nga kusog sa partikulo.
Ingon sa nakita sa 2bKung ang frequency sa pagmaneho moabot sa gibana-bana nga 7.8 Hz, ang switch mobiya sa S0 potensyal nga atabay ug mosulod sa S1 potensyal nga atabay. Ang switch nagpadayon sa pagpabilin sa S1 samtang ang frequency misaka pa.
Ang switch dayon gibutang sa S0 pag-usab, apan niining higayona ang downsweep gisugdan sa 16 Hz. Sa kini nga kaso, kung ang frequency moduol sa 8.8 Hz, ang switch mobiya sa S0 ug mosulod ug magpabilin sa potensyal nga atabay S1.
Ang State S0 adunay activation band nga 1 Hz [7.8, 8.8] nga adunay acceleration nga 13 ms-2, ug S1 - 6...7.7 Hz (2c). Gisundan niini nga ang KIMS mahimong mapili nga magbalhin sa taliwala sa duha ka estado pinaagi sa harmonic excitation sa usa ka base sa parehas nga kadako apan lahi nga frequency.
Ang switching bandwidth sa usa ka KIMS adunay usa ka komplikado nga pagsalig sa porma sa iyang potensyal nga function sa enerhiya, damping nga mga kinaiya, ug harmonic excitation parameters (frequency ug magnitude). Dugang pa, tungod sa pagpahumok sa nonlinear nga kinaiya sa switch, ang activation bandwidth dili kinahanglan nga maglakip sa linear resonant frequency. Busa, importante nga ang switch activation map gihimo para sa matag KIMS nga tagsa-tagsa. Kini nga mapa gigamit sa paghulagway sa frequency ug magnitude sa excitation nga moresulta sa pagbalhin gikan sa usa ka estado ngadto sa lain ug vice versa.
Ang ingon nga usa ka mapa mahimo nga himuon nga eksperimento pinaagi sa frequency sa pagpanilhig sa lainlaing lebel sa kahinam, apan kini nga proseso labi ka kusog sa pagtrabaho. Busa, ang mga siyentista nakahukom niining yugtoa nga magpadayon sa pagmodelo sa switch, gamit ang potensyal nga function sa enerhiya nga gitino sa panahon sa mga eksperimento (1h).
Gituohan sa modelo nga ang dinamikong kinaiya sa switch mahimong maayo nga gibanabana sa dinamika sa usa ka asymmetric bistable nga Helmholtz-Duffing oscillator, ang equation sa paglihok niini mahimong ipahayag ingon sa mosunod:
diin u - pagtipas sa movable nga nawong sa acrylic polygon paryente sa natudlong sa usa ka; m - epektibo nga masa sa switch; c - viscous damping coefficient determinado sa eksperimento; aisβbistable restoring force coefficients; ab ug Ξ© mao ang base magnitude ug acceleration frequency.
Ang nag-unang tahas sa simulation mao ang paggamit niini nga pormula sa pagtukod sa mga kombinasyon sa ab ug Ξ© nga nagtugot sa pagbalhin tali sa duha ka lain-laing mga estado.
Namatikdan sa mga siyentista nga ang kritikal nga mga frequency sa eksaytasyon diin ang usa ka bistable oscillator nga pagbalhin gikan sa usa ka estado ngadto sa lain mahimong mabanabana sa duha ka frequency. mga bifurcations*: period double bifurcation (PD) ug cyclic fold bifurcation (CF).
Bifurcation* - kwalitatibo nga pagbag-o sa sistema pinaagi sa pagbag-o sa mga parameter diin kini nagdepende.
Gamit ang gibanabana, ang frequency response curves sa KIMS gitukod sa duha ka estado niini. Sa tsart 2s nagpakita sa frequency response curves sa switch sa S0 alang sa duha ka lain-laing base acceleration nga lebel.
Sa base acceleration nga 5 ms-2, ang amplitude-frequency nga kurba nagpakita og gamay nga paghumok, apan walay kalig-on o bifurcations. Sa ingon, ang switch nagpabilin sa estado sa S0 bisan kung giunsa ang pagbag-o sa frequency.
Bisan pa, kung ang base acceleration madugangan ngadto sa 13 ms-2, ang kalig-on mikunhod tungod sa PD bifurcation samtang ang frequency sa pagdrayb mikunhod.
Gamit ang parehas nga laraw, nakuha ang mga kurba sa pagtubag sa frequency sa switch sa S1 (2f). Sa acceleration nga 5 ms-2, ang naobserbahan nga pattern nagpabilin nga pareho. Bisan pa, samtang ang base acceleration nagdugang sa 10ms-2 Ang PD ug CF bifurcations makita. Ang makapahinam nga switch sa bisan unsang frequency tali niining duha ka bifurcations moresulta sa switch gikan sa S1 ngadto sa S0.
Ang datos sa simulation nagsugyot nga adunay dagkong mga rehiyon sa mapa sa pagpaaktibo diin ang matag estado mahimong ma-aktibo sa usa ka talagsaon nga paagi. Gitugotan ka niini nga pilion ang pagbalhin tali sa duha ka estado depende sa frequency ug kadako sa gatilyo. Makita usab nga adunay usa ka lugar diin ang duha ka estado mahimong magdungan nga magbalhin.
Hulagway #3
Ang kombinasyon sa pipila ka KIMS mahimong magamit sa paghimo og mekanikal nga panumduman sa pipila ka mga tipik. Pinaagi sa pag-usab-usab sa switch geometry aron ang porma sa potensyal nga function sa enerhiya sa bisan unsang duha ka switch igo nga magkalahi, posible nga magdesinyo sa bandwidth sa pagpaaktibo sa mga switch aron dili sila mag-overlap. Tungod niini, ang matag switch adunay talagsaon nga mga parameter sa pagpukaw.
Aron ipakita kini nga teknik, usa ka 2-bit board ang gihimo base sa duha ka switch nga adunay lainlaing potensyal nga mga kinaiya (3a): gamay 1 - Ξ³0 = 28Β°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm ug n = 12; gamay 2 - Ξ³0 = 27Β°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm ug n = 12.
Tungod kay ang matag bit adunay duha ka estado, usa ka kinatibuk-an nga upat ka lainlaing estado nga S00, S01, S10 ug S11 mahimong makab-ot (3b). Ang mga numero human sa S nagpakita sa bili sa wala (bit 1) ug tuo (bit 2) switch.
Ang kinaiya sa usa ka 2-bit switch gipakita sa video sa ubos:
Pinasukad sa kini nga aparato, mahimo ka usab maghimo usa ka kumpol sa mga switch, nga mahimong sukaranan sa mga multi-bit mechanical memory board.
Alang sa usa ka mas detalyado nga kaila sa mga nuances sa pagtuon, girekomenda ko ang pagtan-aw ΠΈ kaniya
Epilogo
Dili tingali nga bisan kinsa sa mga magbubuhat sa origami makahunahuna kung giunsa ang ilang paglalang magamit sa modernong kalibutan. Sa usa ka bahin, kini nagpakita sa usa ka dako nga gidaghanon sa mga komplikado nga mga elemento nga gitago sa ordinaryo nga mga numero sa papel; sa laing bahin, nga ang modernong siyensiya makahimo sa paggamit niini nga mga elemento sa paghimo sa usa ka butang nga bug-os nga bag-o.
Niini nga trabaho, ang mga siyentipiko nakahimo sa paggamit sa Kroesling's origami geometry sa paghimo sa usa ka yano nga mekanikal nga switch nga mahimong sa duha ka lain-laing mga estado, depende sa input parameters. Mahimo kining itandi sa 0 ug 1, nga mao ang klasikal nga mga yunit sa impormasyon.
Ang resulta nga mga himan gihiusa sa usa ka mekanikal nga sistema sa panumduman nga makahimo sa pagtipig sa 2 ka bit. Kay nahibal-an nga ang usa ka letra nagkinahanglan og 8 bits (1 byte), ang pangutana mitungha: pila ka susama nga origami ang gikinahanglan sa pagsulat sa "Gubat ug Kalinaw," pananglitan.
Ang mga siyentipiko nahibalo pag-ayo sa pagduhaduha nga mahimong ipahinabo sa ilang pag-uswag. Bisan pa, sumala nila, kini nga panukiduki usa ka eksplorasyon sa natad sa mekanikal nga panumduman. Dugang pa, ang origami nga gigamit sa mga eksperimento kinahanglan dili dako; ang ilang mga sukod mahimong makunhuran pag-ayo nga dili makompromiso ang ilang mga kabtangan.
Bisan pa, kini nga trabaho dili matawag nga ordinaryo, banal o makalaay. Ang siyensya dili kanunay gigamit sa paghimo sa usa ka butang nga espesipiko, ug ang mga siyentista dili kanunay nga nahibal-an kung unsa gyud ang ilang gimugna. Sa tinuud, kadaghanan sa mga imbensyon ug nadiskobrehan resulta sa usa ka yano nga pangutana - unsa kaha kung?
Salamat sa pagtan-aw, pabiling kuryoso ug maayong semana sa tanan! π
Usa ka gamay nga advertising
Salamat sa pagpabilin kanamo. Ganahan ka ba sa among mga artikulo? Gusto nga makakita og mas makapaikag nga sulod? Suportahi kami pinaagi sa pag-order o pagrekomenda sa mga higala, , usa ka talagsaon nga analogue sa mga entry-level server, nga giimbento namo alang kanimo: (anaa sa RAID1 ug RAID10, hangtod sa 24 ka mga core ug hangtod sa 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 ka beses nga mas barato sa Equinix Tier IV data center sa Amsterdam? Dinhi lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - gikan sa $99! Basaha ang mahitungod sa
Source: www.habr.com