"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - chì sò questi rapprisentanti di a cultura populari in cumunu? Tutti, à un gradu o un altru, presentanu l'anticu arti giapponese di plegamentu di carta - origami. In i filmi, i ghjoculi è in a vita reale, l'origami hè spessu usatu cum'è un simbulu di certi sentimenti, qualchi ricordi o un missaghju unicu. Questu hè più un cumpunente emutivu di l'origami, ma da un puntu di vista scientificu, assai aspetti interessanti da una varietà di spazii sò oculati in figuri di carta: geometria, matematica è ancu meccanica. Oghje avemu da cunnosce cun un studiu in u quale i scientisti di l'Istitutu Americanu di Fisica anu creatu un dispositivu di almacenamentu di dati plegendu / dispiegando figure origami. Cumu funziona esattamente una carta di memoria di carta, chì principii sò implementati in questu, è quantu dati ponu un tali dispositivu almacenà? Truveremu risposte à queste dumande in u rapportu di i scientisti. Vai.
Basi di ricerca
Hè difficiuli di dì quandu esattamente origami hè urigginatu. Ma sapemu di sicuru chì micca prima di 105 AD. Hè in questu annu chì Cai Lun hà inventatu a carta in Cina. Di sicuru, prima di stu mumentu, u paper esisteva digià, ma ùn era micca fattu di legnu, ma di bambù o di sita. A prima opzione ùn era micca faciule, è a seconda era assai caru. Cai Lun hè stata incaricata di vene cun una nova ricetta di carta chì seria ligera, economica è faciule da fà. U compitu ùn hè micca faciule, ma Cai Lun hà vultatu à a fonte d'ispirazione più populari - a natura. Per un bellu pezzu hà osservatu vespe, chì e so case eranu fatti di legnu è fibri vegetali. Tsai Lun hà realizatu assai esperimenti in quale hà utilizatu una varietà di materiali per u futuru carta (cortezza d'arburu, frassini è ancu rete di pesca) mischiati cù l'acqua. A massa risultante hè stata disposta in una forma speciale è secca à u sole. U risultatu di stu travagliu colossali era un ughjettu chì hè prosaicu per l'omu mudernu - carta.
In u 2001, un parcu chjamatu dopu à Cai Lun hè statu apertu in a cità di Leiyang (Cina).
A diffusione di carta à l'altri paesi ùn hè micca accadutu immediatamente; solu à l'iniziu di u 7u seculu, a so ricetta hà ghjuntu in Corea è u Giappone, è a carta ghjunse in Europa solu in i seculi XI-XII.
L'usu più ovvi di carta hè, sicuru, manuscritti è stampa. In ogni casu, i Giapponesi anu truvatu un usu più elegante per questu - origami, i.e. pieghendu figure di carta.
Una breve escursione in u mondu di l'origami è l'ingegneria.
Ci hè una grande varietà di opzioni di origami, è ancu e tecniche per fà: origami simplice, kusudama (modulare), plegamentu umitu, origami di mudellu, kirigami, etc. ()
Da un puntu di vista scientificu, l'origami hè un metamateriale meccanicu chì e proprietà sò determinate da a so geometria, è micca da e proprietà di u materiale da quale hè fattu. Hè statu dimustratu per un bellu pezzu chì strutture versatili 3D implementabili cù proprietà uniche ponu esse create usendu mudelli di origami ripetitivi.
Image #1
Nantu à l'imaghjini 1b mostra un esempiu di una tale struttura - un soffiu deployable, custruitu da una sola foglia di carta secondu u schema nantu à 1. Da l'opzioni di origami dispunibili, i scientisti anu identificatu una variante in quale hè implementatu un mosaicu di pannelli triangulari idèntici disposti in simetria ciclica, cunnisciutu com'è Origami Kroesling.
Hè impurtante à nutà chì e strutture basate in origami sò in dui tipi: rigidu è micca rigidu.
L'origami rigidu hè una struttura tridimensionale in a quale solu i plegamenti trà i pannelli sò sottumessi à deformazione durante u dispiegamentu.
Un esempiu notu di origami rigidu hè Miura-ori, utilizatu per creà metamateriali meccanichi cù a ratio negativa di Poisson. Stu materiale hà una larga gamma di applicazioni: esplorazione spaziale, elettronica deformabile, musculi artificiali è, sicuru, metamateriali meccanichi reprogrammable.
L'origami non rigidi sò strutture tridimensionali chì mostranu una deformazione elastica non rigida di pannelli trà e pieghe durante u dispiegamentu.
Un esempiu di una tale variante di origami hè u mudellu Kroesling citatu prima, chì hè stata aduprata cù successu per creà strutture cun multi-stabilità sintonizzabile, rigidità, deformazione, ammollimentu / indurimentu, è / o rigidità quasi zero.
Risultati di ricerca
Ispirati da l'arti antica, i scientisti anu decisu d'utilizà l'origami di Kroesling per sviluppà un gruppu di interruttori binari meccanichi chì ponu esse furzati à cambià trà dui stati statichi diffirenti utilizendu una sola entrata cuntrullata in forma di eccitazione armonica appiicata à a basa di l'interruttore. .
Cumu si vede da 1b, u soffiu hè fissu à una estremità è sottumessu à una carica esterna in a direzzione x à l'altru liberu. Per via di questu, hè sottumessu à una deflessione è una rotazione simultanea longu è intornu à l'assi x. L'energia accumulata durante a deformazione di u soffiu hè liberata quandu a carica esterna hè sguassata, facendu chì u soffiu torna à a so forma originale.
Simply put, guardemu à una molla di torsione chì u so putere di risturazione dipende da a forma di a funzione energetica potenziale di u soffiu. Questu dipende à u turnu di i paràmetri geometrichi (a0, b0, γ0) di u triangulu cumpostu utilizatu per custruisce u soffiu, è ancu di u numeru tutale (n) di sti trianguli (1).
Per una certa cumminazione di paràmetri di designu geomètrico, a funzione di energia potenziale di u soffiu hà un minimu minimu chì currisponde à un puntu d'equilibriu stabile. Per altre cumminazzioni, a funzione di l'energia potenziale hà dui minimi chì currispondenu à duie cunfigurazioni di soffietti statichi stabili, ognuna assuciata cù una altezza d'equilibriu differente o, alternativamente, una deflessione di molla (1c). Stu tipu di primavera hè spessu chjamatu bistabili (video sottu).
Nantu à l'imaghjini 1d mostra i paràmetri geomtrici chì portanu à a furmazione di una primavera bistabili è i paràmetri chì portanu à a furmazione di una primavera monostabile per n=12.
Una primavera bistabili pò piantà in una di e so pusizioni di equilibriu in l'absenza di carichi esterni è pò esse attivatu per cambià trà elli quandu a quantità propria di energia hè dispunibule. Hè sta pruprietà chì hè a basa di stu studiu, chì esamina a creazione di interruttori meccanichi Kroesling (KIMS da Interruttori meccanichi d'inspirazione Kresling) cù dui stati binari.
In particulare, cum'è mostra in 1c, l'interruttore pò esse attivatu per a transizione trà i so dui stati fornendu abbastanza energia per superà a barrera potenziale (∆E). L'energia pò esse furnita in forma d'attuazione quasi-statica lenta o applicà un signalu armonicu à a basa di l'interruttore cù una frequenza di eccitazione vicinu à a freccia di risonanza lucale di u switch in i so diversi stati di equilibriu. In questu studiu, hè statu decisu di utilizà a seconda opzione, postu chì l'operazione di risonanza armonica hè superiore à l'operazione quasi-statica in certi rispetti.
Prima, l'attuazione risonante richiede menu forza per cambià è hè generalmente più veloce. Siconda, u cambiamentu di resonante hè insensibile à i disturbi esterni chì ùn risonanu micca cù u cambiamentu in i so stati lucali. Terzu, postu chì a funzione potenziale di l'interruttore hè generalmente asimmetrica in quantu à u puntu d'equilibriu instabile U0, e caratteristiche di l'eccitazione armonica necessarie per passà da S0 à S1 sò generalmente diverse da quelle richieste per cambià da S1 à S0, chì risultanu in a pussibilità di commutazione binaria eccitazione selettiva.
Questa cunfigurazione KIMS hè ideale per creà una scheda di memoria meccanica multi-bit utilizendu multiple switch binari cù caratteristiche diverse posti nantu à una sola piattaforma guidata armonica. A creazione di un tali dispusitivu hè duvuta à a sensibilità di a forma di a funzione di l'energia potenziale di u cambiamentu à i cambiamenti in i paràmetri geomettichi di i pannelli principali (1s).
In cunseguenza, parechji KIMS cù caratteristiche di cuncepimentu differenti ponu esse posti nantu à a stessa piattaforma è entusiasmati per a transizione da un statu à l'altru, individualmente o in cumminazione utilizendu diversi setti di parametri di eccitazione.
In u stadiu di a prova pratica, un cambiamentu hè statu creatu da carta cù una densità di 180 g / m2 cù paràmetri geomettichi: γ0 = 26.5 °; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm è n = 12. Quessi sò i paràmetri, à ghjudicà da i calculi (1d), è portanu à a primavera resultanti esse bistabili. I calculi sò stati realizati cù un mudellu simplificatu di u truss axial (struttura di barra) di u soffiu.
Utilizendu un laser, i linii perforati sò stati fatti nantu à un pezzu di carta (1), chì sò posti plegabili. I piegamenti sò stati poi fatti longu à i bordi b0 (curvutu versu l'esterno) è γ0 (curvutu in l'internu), è i bordi di l'estremità distanti sò stati strettamente uniti. I superfici superiori è inferiori di u switch sò stati rinfurzati cù poligoni acrilichi.
A curva di forza di restaurazione di l'interruttore hè stata ottenuta sperimentalmente per prove di compressione è di trazione realizate nantu à una macchina di prova universale cù una configurazione speciale chì permette a basa per esse rotata durante e teste (1f).
L'estremità di u poligonu di u switch acrilicu sò stati fissati rigidamente, è un spustamentu cuntrullatu hè statu appiicatu à u poligonu superiore à una velocità stabilita di 0.1 mm / s. I spostamenti di tensione è di compressione sò stati appiicati ciclicamente è limitati à 13 mm. Appena prima di a prova attuale di u dispusitivu, l'interruttore hè aghjustatu da a realizazione di dece cicli di carica prima chì a forza di restaurazione hè registrata cù una cellula di carica 50N. On 1g mostra a curva di forza di restaurazione di l'interruttore ottenuta sperimentalmente.
In seguitu, integrendu a forza di restaurazione media di l'interruttore nantu à a gamma operativa, a funzione di energia potenziale (1h). I minimi in a funzione di energia potenziale rapprisentanu equilibri statichi assuciati cù i dui stati di commutazione (S0 è S1). Per questa configurazione particolare, S0 e S1 si verificano ad altezze di implementazione u = 48 mm e 58.5 mm, rispettivamente. A funzione di energia potenziale hè chjaramente asimmetrica cù diverse barriere energetiche ∆E0 à u puntu S0 è ∆E1 à u puntu S1.
I switch sò stati posti nantu à un agitatore elettrodinamicu, chì furnisce l'excitazione cuntrullata di a basa in a direzzione assiale. In risposta à l'excitazione, a superficia superiore di u switch oscilla in una direzzione verticale. A pusizione di a superficia superiore di u switch relative à a basa hè stata misurata cù un vibrometru laser (2).
Image #2
Hè statu trovu chì a freccia di resonante lucale di u cambiamentu per i so dui stati hè 11.8 Hz per S0 è 9.7 Hz per S1. Per inizià una transizione trà dui stati, vale à dì una surtita da putenziale bè *, una freccia di frequenza lineale bidirezionale assai lenta (0.05 Hz / s) hè stata realizata intornu à e frequenze identificate cù una accelerazione di basa di 13 ms-2. In particulare, u KIMS hè statu inizialmente posizionatu à S0 è a freccia di frequenza crescente hè stata iniziata à 6 Hz.
Pozzu potenziale * - a regione induve ci hè un minimu locale di l'energia potenziale di a particella.
Cumu vistu nantu 2bQuandu a freccia di guida righjunghji à circa 7.8 Hz, u switch abbanduneghja u putenziale S0 è entra in u putenziale S1. U cambiamentu hà cuntinuatu à stà in S1 cum'è a frequenza aumentava più.
L'interruttore hè stata tandu à S0 di novu, ma sta volta u downsweep hè statu iniziatu à 16 Hz. In questu casu, quandu a freccia s'avvicina à 8.8 Hz, u switch abbanduneghja S0 è entra è ferma in u putenziale S1.
State S0 hà una banda di attivazione di 1 Hz [7.8, 8.8] cù una accelerazione di 13 ms-2, è S1 - 6...7.7 Hz (2c). Ne segue chì KIMS pò cambià selettivamente trà dui stati per l'excitazione armonica di una basa di a listessa magnitudine ma di frequenza diversa.
A larghezza di banda di commutazione di un KIMS hà una dipendenza cumplessa da a forma di a so funzione energetica potenziale, e caratteristiche di smorzamentu è i paràmetri di eccitazione armonica (frequenza è magnitudine). Inoltre, per via di u cumportamentu non lineale di ammorbidisce u cambiamentu, a larghezza di banda di attivazione ùn include micca necessariamente a frequenza di risonanza lineare. Per quessa, hè impurtante chì a mappa di attivazione di switch hè creata per ogni KIMS individualmente. Questa mappa hè aduprata per caratterizà a freccia è a magnitudine di l'excitazione chì risultatu in cambià da un statu à l'altru è vice versa.
Un tali mappa pò esse creatu spirimintali da a freccia di freccia à diversi livelli di eccitazione, ma stu prucessu hè assai intensivu di travagliu. Per quessa, i scientisti anu decisu in questa tappa di passà à u mudellu di l'interruttore, utilizendu a funzione energetica potenziale determinata durante l'esperimenti (1h).
U mudellu assume chì u cumpurtamentu dinamicu di l'interruttore pò esse apprussimatu bè da a dinamica di un oscillatore Helmholtz-Duffing bistabile asimmetricu, l'equazione di u muvimentu pò esse espressa cum'è seguente:
induve u - deviazione di a faccia mobile di u poligonu acrilicu relative à u fissu; m - massa effettiva di u switch; c - coefficient damping viscosu determinatu sperimentalmente; ais-coefficients di forza risturante bistabile; ab è Ω sò a grandezza di basa è a frequenza di l'accelerazione.
U compitu principalu di a simulazione hè di utilizà sta formula per stabilisce cumminazzioni di ab è Ω chì permettenu di cambià trà dui stati diffirenti.
I scientisti notanu chì e frequenze di eccitazione critiche à quale un oscillatore bistabile passa da un statu à l'altru pò esse approssimativamente da duie frequenze. bifurcazioni*: bifurcazione di doppiu di u periodu (PD) è bifurcazione di piega ciclica (CF).
bifurcazione* - cambiamentu qualitatiu di u sistema cambiendu i paràmetri da quale dipende.
Utilizendu l'approssimazione, e curve di risposta di frequenza di KIMS sò state custruite in i so dui stati. Nantu à a carta 2s mostra e curve di risposta in frequenza di l'interruttore à S0 per dui livelli di accelerazione di basa differenti.
À una accelerazione di basa di 5 ms-2, a curva di amplitude-frequenza mostra un ligeru ammollimentu, ma senza inestabilità o bifurcazioni. Cusì, u switch resta in u statu S0, ùn importa micca cumu a freccia cambia.
Tuttavia, quandu l'accelerazione di basa hè aumentata à 13 ms-2, a stabilità diminuisce per via di a bifurcazione PD cum'è a frequenza di guida diminuisce.
Utilizendu u listessu schema, sò state ottenute curve di risposta in frequenza di u switch in S1 (2f). À una accelerazione di 5 ms-2, u mudellu osservatu resta u listessu. Tuttavia, cum'è l'accelerazione di basa aumenta à 10ms-2 Appariscenu e bifurcazioni PD è CF. L'eccitazione di u cambiamentu à qualsiasi frequenza trà sti dui bifurcazioni si traduce in un cambiamentu da S1 à S0.
I dati di simulazione suggerenu chì ci sò grandi regioni in a mappa di attivazione in quale ogni statu pò esse attivatu in una manera unica. Questu permette di cambià selettivamente trà dui stati secondu a frequenza è a magnitudine di u trigger. Pò esse ancu vistu chì ci hè una zona induve i dui stati ponu cambià simultaneamente.
Image #3
Una cumminazzioni di parechji KIMS pò esse usata per creà una memoria meccanica di parechji bits. Variendu a geometria di l'interruttore in modu chì a forma di a funzione di l'energia potenziale di qualsiasi dui switch hè abbastanza diversa, hè pussibule cuncepisce a larghezza di banda di attivazione di i switches in modu chì ùn si sovrapponenu. Per via di questu, ogni switch averà paràmetri di eccitazione unichi.
Per dimustrà sta tecnica, hè stata creata una scheda di 2 bit basata nantu à dui switches cù caratteristiche potenziali diffirenti (3): bit 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm è n = 12; bit 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm è n = 12.
Siccomu ogni bit hà dui stati, un totale di quattru stati diffirenti S00, S01, S10 è S11 ponu esse ottenuti (3b). I numeri dopu à S indicanu u valore di i switch left (bit 1) è right (bit 2).
U cumpurtamentu di un switch 2-bit hè mostratu in u video sottu:
Basatu nantu à stu dispusitivu, pudete ancu creà un cluster di switches, chì pò esse a basa di multi-bit boards di memoria meccanica.
Per una cunniscenza più dettagliata di e sfumature di u studiu, vi cunsigliu di guardà и à ellu.
Epilogue
Hè improbabile chì qualchissia di i creatori di origami puderia imaginà cumu a so creazione seria usata in u mondu mudernu. Da una banda, questu indica un gran numaru di elementi cumplessi oculati in figuri di carta ordinariu; da l'altra banda, chì a scienza muderna hè capaci di utilizà sti elementi per creà qualcosa completamente novu.
In questu travagliu, i scientisti anu pussutu utilizà a geometria di l'origami di Kroesling per creà un interruttore meccanicu simplice chì pò esse in dui stati diffirenti, secondu i paràmetri di input. Questu pò esse paragunatu à 0 è 1, chì sò l'unità classiche di l'infurmazioni.
I dispusitivi risultanti sò stati cumminati in un sistema di memoria meccanica capace di almacenà 2 bits. Sapendu chì una lettera occupa 8 bits (1 byte), a quistione hè: quanti origami simili seranu necessarii per scrive "Guerra è Pace", per esempiu.
I scientisti sò ben cuscenti di u scetticismu chì u so sviluppu pò causà. Tuttavia, sicondu elli, sta ricerca hè esplorazione in u campu di a memoria meccanica. Inoltre, l'origami utilizatu in l'esperimenti ùn deve esse grande; e so dimensioni ponu esse ridutte significativamente senza compromette e so proprietà.
Sia com'è, stu travagliu ùn pò esse chjamatu ordinariu, banale o noioso. A scienza ùn hè micca sempre aduprata per sviluppà qualcosa di specificu, è i scientisti ùn sò micca sempre principiatu ciò chì esattamente creanu. Dopu tuttu, a maiò parte di l'invenzioni è e scuperte eranu u risultatu d'una pregunta simplice - chì sì?
Grazie per vede, restate curiosi è bon weekend à tutti ! 🙂
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Source: www.habr.com