"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - kion havas ĉi tiuj reprezentantoj de popola kulturo komune? Ĉiuj, unugrade aŭ alia, prezentas la antikvan japanan arton de paperfaldado - origamio. En filmoj, ludoj kaj en reala vivo, origamio ofte estas uzata kiel simbolo de certaj sentoj, iuj memoroj aŭ unika mesaĝo. Ĉi tio estas pli emocia komponanto de origamio, sed el scienca vidpunkto, multaj interesaj aspektoj el diversaj areoj estas kaŝitaj en paperaj figuroj: geometrio, matematiko kaj eĉ mekaniko. Hodiaŭ ni konatiĝos kun studo, en kiu sciencistoj de la Amerika Instituto pri Fiziko kreis datuman konservaparaton per faldado/malfaldado de origamiaj figuroj. Kiel ekzakte funkcias papera memorkarto, kiaj principoj estas efektivigitaj en ĝi, kaj kiom da datumoj povas konservi tia aparato? Ni trovos respondojn al ĉi tiuj demandoj en la raporto de la sciencistoj. Iru.
Esplorbazo
Estas malfacile diri, kiam ĝuste origami originis. Sed ni scias certe, ke ne pli frue ol 105 p.K. Ĝuste en ĉi tiu jaro Cai Lun inventis paperon en Ĉinio. Kompreneble, antaŭ ĉi tiu momento, papero jam ekzistis, sed ĝi estis farita ne el ligno, sed el bambuo aŭ silko. La unua opcio ne estis facila, kaj la dua estis ege multekosta. Cai Lun estis taskigita elpensi novan recepton por papero, kiu estus malpeza, malmultekosta kaj facila por fari. La tasko ne estas facila, sed Cai Lun turnis sin al la plej populara fonto de inspiro - naturo. Longe li observis vespojn, kies hejmoj estis faritaj el ligno kaj plantaj fibroj. Tsai Lun faris multajn eksperimentojn en kiuj li uzis diversajn materialojn por estonta papero (arba ŝelo, cindro kaj eĉ fiŝretoj) miksitaj kun akvo. La rezulta maso estis aranĝita en speciala formo kaj sekigita al la suno. La rezulto de ĉi tiu kolosa laboro estis objekto kiu estas proza por moderna homo - papero.
En 2001, parko nomita laŭ Cai Lun estis malfermita en la grandurbo de Leiyang (Ĉinio).
La disvastigo de papero al aliaj landoj ne okazis tuj; nur komence de la XNUMX-a jarcento ĝia recepto atingis Koreion kaj Japanion, kaj papero atingis Eŭropon nur en la XNUMX-a-XNUMX-a jarcentoj.
La plej evidenta uzo de papero estas, kompreneble, manuskriptoj kaj presado. Tamen japanoj trovis pli elegantan uzon por ĝi - origamio, t.e. faldante paperajn figurojn.
Mallonga ekskurso en la mondon de origamio kaj inĝenieristiko.
Estas granda vario de origami-opcioj, same kiel la teknikoj por fari ilin: simpla origamio, kusudama (modula), malseka faldado, ŝablono origamio, kirigami ktp. ()
El la vidpunkto de la scienco, origamio estas mekanika metamaterialo, kies propraĵoj estas determinitaj de ĝia geometrio, kaj ne de la ecoj de la materialo el kiu ĝi estas farita. Estas pruvite dum sufiĉe da tempo, ke multflankaj XNUMXD deplojeblaj strukturoj kun unikaj propraĵoj povas esti kreitaj uzante ripetantajn origamiajn ŝablonojn.
Bildo #1
Sur la bildo 1b montras ekzemplon de tia strukturo - deplojebla balgo, konstruita el ununura paperfolio laŭ la diagramo sur 1a. El la disponeblaj origami-opcioj, sciencistoj identigis varianton en kiu mozaiko de identaj triangulaj paneloj aranĝitaj en cikla simetrio, konata kiel Kroesling-origamio, estas efektivigita.
Gravas noti, ke origami-bazitaj strukturoj venas en du tipoj: rigidaj kaj ne-rigidaj.
Rigida origamio estas tridimensia strukturo en kiu nur la faldoj inter la paneloj spertas deformadon dum disvolviĝado.
Rimarkinda ekzemplo de rigida origamio estas Miura-ori, uzita por krei mekanikajn metamaterialojn kun negativa rilatumo de Poisson. Tia materialo havas ampleksan gamon de aplikoj: kosmoesploro, deformebla elektroniko, artefaritaj muskoloj kaj, kompreneble, reprogrameblaj mekanikaj metamaterialoj.
Ne-rigida origamio estas tridimensiaj strukturoj kiuj elmontras ne-rigidan elastan deformadon de paneloj inter faldoj dum disfaldado.
Ekzemplo de tia origamio-variaĵo estas la antaŭe menciita Kroesling-padrono, kiu estis sukcese uzita por krei strukturojn kun agordebla multstabileco, rigideco, deformado, moliĝo/malmoliĝo, kaj/aŭ preskaŭ-nula rigideco.
Esplorrezultoj
Inspiritaj de antikva arto, la sciencistoj decidis uzi la origamion de Kroesling por evoluigi areton de mekanikaj binaraj ŝaltiloj kiuj povas esti devigitaj ŝanĝi inter du malsamaj senmovaj statoj uzante ununuran kontrolitan enigaĵon en la formo de harmonia ekscito aplikita al la bazo de la ŝaltilo. .
Kiel vidite de 1b, la balego estas fiksita ĉe unu fino kaj submetita al ekstera ŝarĝo en la x-direkto ĉe la alia libera fino. Pro tio, ĝi spertas samtempan deklinon kaj rotacion laŭ kaj ĉirkaŭ la x-akso. La energio akumulita dum la deformado de la balego estas liberigita kiam la ekstera ŝarĝo estas forigita, igante la balgegon reveni al sia origina formo.
Simple dirite, ni rigardas tordan risorton, kies restariga potenco dependas de la formo de la potencialenergia funkcio de la balgo. Ĉi tio siavice dependas de la geometriaj parametroj (a0, b0, γ0) de la kunmetita triangulo uzata por konstrui la balgegon, same kiel la tutsumo (n) de tiuj trianguloj (1a).
Por certa kombinaĵo de geometriaj dezajnaj parametroj, la blekega potencialenergia funkcio havas ununuran minimumon egalrilatantan al unu stabila ekvilibropunkto. Por aliaj kombinaĵoj, la potencialenergia funkcio havas du minimumojn egalrilatantajn al du stabilaj senmovaj balgelkonfiguracioj, ĉiu asociita kun malsama ekvilibralteco aŭ, alternative, risortdeklino (1c). Ĉi tiu speco de printempo ofte estas nomita bistabila (video malsupre).
Sur la bildo 1d montras la geometriajn parametrojn kondukantajn al la formado de bistabila risorto kaj la parametrojn kondukantaj al la formado de monostabila risorto por n=12.
Bistabila fonto povas ĉesi ĉe unu el siaj ekvilibraj pozicioj en la foresto de eksteraj ŝarĝoj kaj povas esti aktivigita por ŝanĝi inter ili kiam la bonorda kvanto de energio estas havebla. Ĝuste ĉi tiu posedaĵo estas la bazo de ĉi tiu studo, kiu ekzamenas la kreadon de mekanikaj ŝaltiloj de Kroesling (KIMS de Kresling-inspiraj mekanikaj ŝaltiloj) kun du binaraj statoj.
Aparte, kiel montrite en 1c, la ŝaltilo povas esti aktivigita al transiro inter siaj du statoj liverante sufiĉe da energio por venki la eblan barieron (∆E). La energio povas esti liverita en la formo de malrapida kvazaŭ-senmova aktuado aŭ aplikante harmonian signalon al la bazo de la ŝaltilo kun ekscitfrekvenco proksime al la loka resonfrekvenco de la ŝaltilo en ĝiaj diversaj ekvilibraj statoj. En ĉi tiu studo, estis decidite uzi la duan opcion, ĉar harmonia resonanca operacio estas pli bona ol kvazaŭ-statika operacio en kelkaj rilatoj.
Unue, resonanca aktuado postulas malpli forton por ŝanĝi kaj estas ĝenerale pli rapida. Due, resonanca ŝanĝado estas nesentema al eksteraj tumultoj kiuj ne resonancas kun la ŝaltilo en ĝiaj lokaj ŝtatoj. Trie, ĉar la ebla funkcio de la ŝaltilo estas kutime malsimetria kun respekto al la malstabila ekvilibropunkto U0, la harmoniaj ekscitkarakterizaĵoj necesaj por ŝanĝado de S0 al S1 estas kutime diferencaj de tiuj necesaj por ŝanĝado de S1 al S0, rezultigante la eblecon de ekscito-selektiva binara ŝaltilo .
Ĉi tiu KIMS-agordo estas ideala por krei plurbitan mekanikan memortablon uzante multoblajn binarajn ŝaltilojn kun malsamaj karakterizaĵoj metitaj sur ununuran harmonian movitan platformon. La kreado de tia aparato ŝuldiĝas al la sentemo de la formo de la potencialenergia funkcio de la ŝaltilo al ŝanĝoj en la geometriaj parametroj de la ĉefaj paneloj (1-aj jaroj).
Sekve, multoblaj KIMS kun malsamaj dezajnokarakterizaĵoj povas esti metitaj sur la saman platformon kaj ekscititaj al transiro de unu ŝtato al alia, individue aŭ en kombinaĵo uzante malsamajn arojn de ekscitparametroj.
En la stadio de praktika testado, ŝaltilo estis kreita el papero kun denseco de 180 g/m2 kun geometriaj parametroj: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm kaj n = 12. Ĉi tiuj estas la parametroj, juĝante laŭ la kalkuloj (1d), kaj kondukas al la rezulta fonto estanta bistabila. La kalkuloj estis faritaj uzante simpligitan modelon de la aksa herniobandaĝo (stanga strukturo) de la balego.
Uzante laseron, truitaj linioj estis faritaj sur peco de papero (1a), kiuj estas faldejoj. Faldoj tiam estis faritaj laŭ la randoj b0 (kurba eksteren) kaj γ0 (kurba enen), kaj la randoj de la malproksimaj finoj estis malloze kunigitaj. La supraj kaj malsupraj surfacoj de la ŝaltilo estis plifortikigitaj per akrilaj pluranguloj.
La restariga fortokurbo de la ŝaltilo estis akirita eksperimente per kunpremado kaj streĉaj provoj faritaj sur universala testmaŝino kun speciala aranĝo permesanta al la bazo esti rotaciita dum la testoj (1f).
La finoj de la akrila ŝaltila plurangulo estis rigide fiksitaj, kaj kontrolita delokiĝo estis aplikita al la supra plurangulo kun celrapideco de 0.1 mm/s. Streĉaj kaj kunpremaj movoj estis aplikataj cikle kaj limigitaj al 13 mm. Ĵus antaŭ la fakta testado de la aparato, la ŝaltilo estas alĝustigita per dek tiaj ŝarĝcikloj antaŭ ol la restariga forto estas registrita uzante 50N-ŝarĝĉelon. On 1g montras la restarigi fortokurbon de la ŝaltilo akirita eksperimente.
Poste, per integrado de la meza restariga forto de la ŝaltilo super la mastruma intervalo, la potencialenergia funkcio (1h). La minimumoj en la potencialenergia funkcio reprezentas senmovajn ekvilibrojn asociitajn kun la du ŝaltilŝtatoj (S0 kaj S1). Por tiu speciala agordo, S0 kaj S1 okazas ĉe deplojaltoj u = 48 mm kaj 58.5 mm, respektive. La potencialenergiofunkcio estas klare malsimetria kun malsamaj energibaroj ∆E0 ĉe punkto S0 kaj ∆E1 ĉe punkto S1.
La ŝaltiloj estis metitaj sur elektrodinamikan skuilon, kiu disponigas kontrolitan eksciton de la bazo en la aksa direkto. En respondo al ekscito, la supra surfaco de la ŝaltilo oscilas en vertikala direkto. La pozicio de la supra surfaco de la ŝaltilo relative al la bazo estis mezurita per lasera vibrometro (2a).
Bildo #2
Estis trovite ke la loka resonfrekvenco de la ŝaltilo por siaj du ŝtatoj estas 11.8 Hz por S0 kaj 9.7 Hz por S1. Eki transiron inter du statoj, tio estas eliro el potenciala puto*, tre malrapida (0.05 Hz/s) dudirekta linia frekvenca svingo estis farita ĉirkaŭ la identigitaj frekvencoj kun baza akcelado de 13 ms-2. Specife, la KIMS estis komence poziciigita ĉe S0 kaj la kreskanta frekvenca svingo estis iniciatita je 6 Hz.
Potenca puto* - la regiono kie estas loka minimumo de la potenciala energio de la partiklo.
Kiel vidite sur 2bKiam la veturfrekvenco atingas proksimume 7.8 Hz, la ŝaltilo forlasas la S0-potencialon bone kaj eniras la S1-potencialon bone. La ŝaltilo daŭre restis en S1 kiam la frekvenco pliiĝis plu.
La ŝaltilo tiam estis fiksita al S0 denove, sed ĉi-foje la malsupren-balado estis komencita ĉe 16 Hz. En ĉi tiu kazo, kiam la frekvenco alproksimiĝas al 8.8 Hz, la ŝaltilo forlasas S0 kaj eniras kaj restas en la ebla puto S1.
Ŝtato S0 havas aktivigbendon de 1 Hz [7.8, 8.8] kun akcelo de 13 ms-2, kaj S1 - 6...7.7 Hz (2c). Ĝi sekvas ke KIMS povas selekteme ŝanĝi inter du ŝtatoj tra harmonia ekscito de bazo de la sama magnitudo sed malsama frekvenco.
La ŝanĝa bendolarĝo de KIMS havas kompleksan dependecon de la formo de sia potencialenergia funkcio, malseketigado de karakterizaĵoj, kaj harmoniaj ekscitparametroj (frekvenco kaj magnitudo). Plie, pro la mildiga nelinia konduto de la ŝaltilo, la aktiviga bendolarĝo ne nepre inkludas la linian resonfrekvencon. Tial gravas, ke la ŝaltila aktivigmapo estas kreita por ĉiu KIMS individue. Tiu ĉi mapo estas uzata por karakterizi la frekvencon kaj grandecon de ekscito, kiu rezultigas ŝanĝadon de unu ŝtato al alia kaj inverse.
Tia mapo povas esti kreita eksperimente per frekvenca balaado sur malsamaj ekscitniveloj, sed tiu procezo estas tre laborintensa. Tial, sciencistoj decidis en ĉi tiu etapo pluiri al modeligado de la ŝaltilo, uzante la potencialenergian funkcion determinitan dum la eksperimentoj (1h).
La modelo supozas ke la dinamika konduto de la ŝaltilo povas esti bone aproksimita per la dinamiko de nesimetria bistabila Helmholtz-Duffing-oscilatoro, kies ekvacio de moviĝo povas esti esprimita jene:
kie u — devio de la movebla vizaĝo de la akrila plurlatero rilate al la fiksa; m — efika maso de la ŝaltilo; c — viskoza malseketiga koeficiento determinita eksperimente; ais—bestablaj restarigi fortokoeficientoj; ab kaj Ω estas la baza grando kaj akcela frekvenco.
La ĉefa tasko de la simulado estas uzi ĉi tiun formulon por establi kombinaĵojn de ab kaj Ω kiuj permesas ŝanĝi inter du malsamaj statoj.
Sciencistoj notas ke la kritikaj ekscitfrekvencoj ĉe kiuj bistabila oscilatoro transiras de unu ŝtato al alia povas esti proksimumataj per du frekvencoj. forkoj*: periodo duobliga forkiĝo (PD) kaj cikla faldforkiĝo (CF).
Forkiĝo* — kvalita ŝanĝo de la sistemo ŝanĝante la parametrojn, de kiuj ĝi dependas.
Uzante la aproksimadon, frekvencrespondkurboj de KIMS estis konstruitaj en ĝiaj du statoj. Sur la diagramo 2-aj jaroj montras la frekvencrespondkurbojn de la ŝaltilo ĉe S0 por du malsamaj bazaj akcelniveloj.
Je baza akcelo de 5 ms-2, la amplitudo-frekvenca kurbo montras iometan moliĝon, sed neniun malstabilecon aŭ forkiĝojn. Tiel, la ŝaltilo restas en la S0-ŝtato negrave kiel la frekvenco ŝanĝiĝas.
Tamen, kiam la baza akcelado estas pliigita al 13 ms-2, stabileco malpliiĝas pro PD-forkiĝo kiam la veturfrekvenco malpliiĝas.
Uzante la saman skemon, frekvencrespondkurboj de la ŝaltilo en S1 estis akiritaj (2f). Je akcelo de 5 ms-2, la observita ŝablono restas la sama. Tamen, ĉar la baza akcelo pliiĝas al 10ms-2 PD kaj CF-forkiĝo aperas. Eksciti la ŝaltilon ĉe iu frekvenco inter ĉi tiuj du forkaĵoj rezultigas ŝaltilon de S1 al S0.
La simuladdatenoj indikas ke ekzistas grandaj regionoj en la aktivigmapo en kiuj ĉiu ŝtato povas esti aktivigita en unika maniero. Ĉi tio ebligas al vi selekteme ŝanĝi inter du statoj depende de la frekvenco kaj grandeco de la ellasilo. Videblas ankaŭ, ke ekzistas areo, kie ambaŭ ŝtatoj povas ŝanĝi samtempe.
Bildo #3
Kombinaĵo de pluraj KIMS povas esti uzata por krei mekanikan memoron de pluraj bitoj. Variante la ŝaltilgeometrion tiel ke la formo de la potencialenergia funkcio de iuj du ŝaltiloj estas sufiĉe malsama, estas eble dizajni la aktivigan bendolarĝon de la ŝaltiloj tiel ke ili ne interkovru. Pro tio, ĉiu ŝaltilo havos unikajn ekscitajn parametrojn.
Por pruvi ĉi tiun teknikon, 2-bita tabulo estis kreita surbaze de du ŝaltiloj kun malsamaj eblaj karakterizaĵoj (3a): bito 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm kaj n = 12; bito 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm kaj n = 12.
Ĉar ĉiu bito havas du ŝtatojn, entute kvar malsamaj ŝtatoj S00, S01, S10 kaj S11 povas esti atingita (3b). La nombroj post S indikas la valoron de la maldekstra (bito 1) kaj dekstra (bito 2) ŝaltiloj.
La konduto de 2-bita ŝaltilo estas montrita en la suba video:
Surbaze de ĉi tiu aparato, vi ankaŭ povas krei aron de ŝaltiloj, kiuj povas esti la bazo de plurbitaj mekanikaj memortabuloj.
Por pli detala konatiĝo kun la nuancoj de la studo, mi rekomendas rigardi и al li.
Epilogo
Estas neverŝajne, ke iu el la kreintoj de origamio povus imagi kiel ilia kreaĵo estus uzata en la moderna mondo. Unuflanke, tio indikas grandan nombron da kompleksaj elementoj kaŝitaj en ordinaraj paperaj figuroj; aliflanke, tiu moderna scienco kapablas uzi ĉi tiujn elementojn por krei ion tute novan.
En ĉi tiu laboro, sciencistoj povis uzi la origamian geometrion de Kroesling por krei simplan mekanikan ŝaltilon kiu povas esti en du malsamaj statoj, depende de la enirparametroj. Ĉi tio povas esti komparita kun 0 kaj 1, kiuj estas la klasikaj unuoj de informo.
La rezultaj aparatoj estis kombinitaj en mekanikan memorsistemon kapablan je stokado de 2 bitoj. Sciante, ke unu litero okupas 8 bitojn (1 bitoko), la demando stariĝas: kiom da similaj origamioj estos bezonataj por skribi "Milito kaj Paco", ekzemple.
Sciencistoj bone konscias pri la skeptiko, kiun povas kaŭzi ilia evoluo. Tamen, laŭ ili, ĉi tiu esplorado estas esplorado en la kampo de mekanika memoro. Krome, la origamio uzata en la eksperimentoj ne devus esti grandaj; iliaj dimensioj povas esti signife reduktitaj sen endanĝerigi siajn trajtojn.
Estu kiel ajn, ĉi tiu verko ne povas esti nomata ordinara, banala aŭ enuiga. Scienco ne ĉiam estas uzata por disvolvi ion specifan, kaj sciencistoj ne ĉiam komence scias, kion precize ili kreas. Ja la plej multaj inventoj kaj malkovroj estis la rezulto de simpla demando - kaj se?
Dankon pro spektado, restu scivolemaj kaj havu bonegan semajnfinon al ĉiuj! 🙂
Iom da reklamado
Dankon pro restado ĉe ni. Ĉu vi ŝatas niajn artikolojn? Ĉu vi volas vidi pli interesan enhavon? Subtenu nin farante mendon aŭ rekomendante al amikoj, , unika analogo de enirnivelaj serviloj, kiu estis inventita de ni por vi: (havebla kun RAID1 kaj RAID10, ĝis 24 kernoj kaj ĝis 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 fojojn pli malmultekosta en Equinix Tier IV datumcentro en Amsterdamo? Nur ĉi tie en Nederlando! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ekde $99! Legu pri
fonto: www.habr.com