“Blade Runner”, “Con Air”, “Heavy Rain” - mis on neil populaarkultuuri esindajatel ühist? Kõikidel on ühel või teisel määral iidne Jaapani paberi voltimise kunst – origami. Filmides, mängudes ja päriselus kasutatakse origamit sageli teatud tunnete, mälestuste või ainulaadse sõnumi sümbolina. See on pigem origami emotsionaalne komponent, kuid teaduslikust vaatenurgast on paberkujudesse peidetud palju huvitavaid aspekte erinevatest valdkondadest: geomeetria, matemaatika ja isegi mehaanika. Täna tutvume uuringuga, mille käigus Ameerika Füüsika Instituudi teadlased lõid origami figuure voltides/lahti voltides andmesalvestusseadme. Kuidas pabermälukaart täpselt töötab, milliseid põhimõtteid selles rakendatakse ja kui palju andmeid selline seade salvestada suudab? Nendele küsimustele leiame vastused teadlaste aruandest. Mine.
Uurimistöö alus
Millal täpselt origami tekkis, on raske öelda. Kuid me teame kindlalt, et mitte varem kui 105 pKr. Sel aastal leiutas Cai Lun Hiinas paberi. Muidugi, enne seda hetke oli paber juba olemas, kuid seda ei tehtud puidust, vaid bambusest või siidist. Esimene variant ei olnud lihtne ja teine oli ülimalt kallis. Cai Lun sai ülesandeks välja pakkuda uus retsept paberi jaoks, mis oleks kerge, odav ja hõlpsasti valmistatav. Ülesanne pole lihtne, kuid Cai Lun pöördus kõige populaarsema inspiratsiooniallika - looduse poole. Pikka aega jälgis ta herilasi, kelle kodud olid valmistatud puidust ja taimsetest kiududest. Tsai Lun viis läbi palju katseid, milles ta kasutas mitmesuguseid veega segatud materjale tulevase paberi jaoks (puukoor, tuhk ja isegi kalavõrgud). Saadud mass asetati spetsiaalsesse vormi ja kuivatati päikese käes. Selle kolossaalse töö tulemuseks oli tänapäeva inimese jaoks proosaline ese – paber.
2001. aastal avati Leiyangi linnas (Hiina) Cai Luni nimeline park.
Paberi levik teistesse riikidesse ei toimunud kohe, alles XNUMX. sajandi alguses jõudis selle retsept Koreasse ja Jaapanisse ning paber Euroopasse alles XNUMX.-XNUMX.
Kõige ilmsem paberikasutus on loomulikult käsikirjad ja trükkimine. Jaapanlased leidsid sellele aga elegantsema kasutuse – origami, s.t. paberist figuuride kokkuvoldimine.
Lühiekskursioon origami ja insenerimaailma.
Origami valikuid ja ka nende valmistamise tehnikaid on väga erinevaid: lihtne origami, kusudama (moodul), märgvoltimine, mustriga origami, kirigami jne. ()
Teaduslikust vaatenurgast on origami mehaaniline metamaterjal, mille omadused määravad selle geomeetria, mitte selle materjali omadused, millest see on valmistatud. Juba mõnda aega on tõestatud, et korduvate origami mustrite abil saab luua ainulaadsete omadustega mitmekülgseid XNUMXD-struktuure.
Pilt nr 1
Pildi peal 1b näitab sellise konstruktsiooni näidet - kasutuselevõetavat lõõtsa, mis on ehitatud ühest paberilehest vastavalt joonisele 1а. Olemasolevate origami võimaluste hulgast on teadlased tuvastanud variandi, milles rakendatakse tsüklilise sümmeetria järgi paigutatud identsetest kolmnurksetest paneelidest koosnevat mosaiiki, mida tuntakse Kroeslingi origami nime all.
Oluline on märkida, et origami-põhiseid struktuure on kahte tüüpi: jäik ja mittejäik.
Jäik origami on kolmemõõtmeline struktuur, mille lahtivoltimisel deformeeruvad ainult paneelidevahelised voldid.
Jäiga origami märkimisväärne näide on Miura-ori, mida kasutatakse negatiivse Poissoni suhtega mehaaniliste metamaterjalide loomiseks. Sellisel materjalil on lai kasutusala: kosmoseuuringud, deformeeritav elektroonika, tehislihased ja loomulikult ümberprogrammeeritavad mehaanilised metamaterjalid.
Mittejäigad origami on kolmemõõtmelised struktuurid, millel on lahtivoltimise ajal paneelide mittejäik elastne deformatsioon voltide vahel.
Sellise origami variandi näiteks on eelnevalt mainitud Kroeslingi muster, mida on edukalt kasutatud timmitava multistabiilsuse, jäikuse, deformatsiooni, pehmenemise/kõvenemise ja/või nullilähedase jäikusega struktuuride loomisel.
Uuringute tulemused
Iidsest kunstist inspireerituna otsustasid teadlased kasutada Kroeslingi origamit, et töötada välja mehaaniliste binaarlülitite klast, mida saab sundida lülituma kahe erineva staatilise oleku vahel, kasutades ühte juhitavat sisendit harmoonilise ergastuse kujul, mis rakendatakse lüliti alusele. .
Nagu näha 1b, on lõõts ühest otsast fikseeritud ja teisest vabast otsast rakendatakse x-suunalist välist koormust. Tänu sellele läbib see samaaegselt läbipainde ja pöörlemise piki x-telge ja selle ümber. Lõõtsa deformeerumisel kogunenud energia eraldub väliskoormuse eemaldamisel, mistõttu lõõts taastab oma esialgse kuju.
Lihtsamalt öeldes vaatleme torsioonvedrut, mille taastav jõud sõltub lõõtsa potentsiaalse energia funktsiooni kujust. See omakorda sõltub lõõtsa ehitamiseks kasutatud liitkolmnurga geomeetrilistest parameetritest (a0, b0, γ0) ja ka nende kolmnurkade koguarvust (n)1а).
Teatud geomeetriliste konstruktsiooniparameetrite kombinatsiooni korral on lõõtsa potentsiaalse energia funktsioonil üks miinimum, mis vastab ühele stabiilsele tasakaalupunktile. Teiste kombinatsioonide puhul on potentsiaalse energia funktsioonil kaks miinimumi, mis vastavad kahele stabiilsele staatilisele lõõtsa konfiguratsioonile, millest igaüks on seotud erineva tasakaalukõrgusega või teise võimalusena vedru läbipaindega (1c). Seda tüüpi vedru nimetatakse sageli bistabiilseks (video allpool).
Pildi peal 1d näitab geomeetrilisi parameetreid, mis viivad bistabiilse vedru moodustumiseni, ja parameetreid, mis viivad monostabiilse vedru moodustumiseni n = 12 korral.
Bistabiilne vedru võib välise koormuse puudumisel peatuda ühes oma tasakaaluasendis ja selle saab aktiveerida, et nende vahel vahetada, kui on saadaval õige kogus energiat. Just see omadus on aluseks käesolevale uuringule, mis uurib Kroeslingi mehaaniliste lülitite (KIMS aastast Kreslingist inspireeritud mehaanilised lülitid) kahe kahendolekuga.
Eelkõige, nagu näidatud 1c, saab lüliti aktiveerida kahe oleku vahel üleminekuks, andes piisavalt energiat potentsiaalse barjääri (∆E) ületamiseks. Energiat saab anda aeglase kvaasistaatilise käivitamise vormis või kandes lüliti alusele harmoonilist signaali, mille ergutussagedus on lähedane lüliti kohalikule resonantssagedusele selle erinevates tasakaaluolekutes. Selles uuringus otsustati kasutada teist võimalust, kuna harmooniline resonantstalitlus on mõnes mõttes parem kui kvaasistaatiline talitus.
Esiteks nõuab resonantskäivitus ümberlülitamiseks vähem jõudu ja on üldiselt kiirem. Teiseks ei ole resonantslülitus tundlik väliste häirete suhtes, mis ei resoneeri lülitiga selle kohalikes olekutes. Kolmandaks, kuna lüliti potentsiaalne funktsioon on tavaliselt ebastabiilse tasakaalupunkti U0 suhtes asümmeetriline, on S0-lt S1-le ümberlülitumiseks vajalikud harmoonilised ergastuskarakteristikud tavaliselt erinevad nendest, mis on vajalikud ümberlülitamiseks S1-lt S0-le, mistõttu on võimalik ergastuse-selektiivne kahendlülitus .
See KIMS-i konfiguratsioon sobib ideaalselt mitmebitise mehaanilise mäluplaadi loomiseks, kasutades mitut erinevate omadustega kahendlülitit, mis on paigutatud ühele harmoonilisele juhitavale platvormile. Sellise seadme loomine on tingitud lüliti potentsiaalse energia funktsiooni kuju tundlikkusest põhipaneelide geomeetriliste parameetrite muutuste suhtes (1).
Järelikult saab paigutada samale platvormile mitu erinevate konstruktsiooniomadustega KIMS-i ja ergutada neid ühest olekust teise üleminekuks eraldi või kombineeritult, kasutades erinevaid ergastusparameetrite komplekte.
Praktilise katsetamise etapis loodi 180 g/m2 tihedusega paberist lüliti geomeetriliste parameetritega: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm ja n = 12. Arvutuste põhjal otsustades on need parameetrid (1d) ja viia selleni, et saadud vedru on bistabiilne. Arvutused viidi läbi lõõtsa aksiaalse sõrestiku (varraskonstruktsiooni) lihtsustatud mudeli abil.
Laseri abil tehti paberitükile perforeeritud jooned (1а), mis on kokkuklapitavad kohad. Seejärel tehti voldid mööda servi b0 (kõver väljapoole) ja γ0 (kõverdatud sissepoole) ning kaugemate otste servad ühendati tihedalt. Lüliti ülemine ja alumine pind on tugevdatud akrüülpolügoonidega.
Lüliti taastamisjõu kõver saadi eksperimentaalselt surve- ja tõmbekatsete abil, mis viidi läbi universaalsel katsemasinal, millel oli spetsiaalne seadistus, mis võimaldab katsete ajal alust pöörata (1f).
Akrüüllüliti polügooni otsad fikseeriti jäigalt ja ülemisele hulknurgale rakendati kontrollitud nihe sihtkiirusega 0.1 mm/s. Tõmbe- ja survenihked rakendati tsükliliselt ja piirduti 13 mm-ga. Vahetult enne seadme tegelikku testimist reguleeritakse lülitit kümne sellise koormustsükliga, enne kui taastav jõud registreeritakse 50N koormusanduri abil. Peal 1g näitab eksperimentaalselt saadud lüliti taastamisjõu kõverat.
Järgmiseks, integreerides lüliti keskmise taastumisjõu töövahemikus, saab potentsiaalse energia funktsiooni (1h). Potentsiaalse energia funktsiooni miinimumid tähistavad kahe lüliti olekuga (S0 ja S1) seotud staatilist tasakaalu. Selle konkreetse konfiguratsiooni korral esinevad S0 ja S1 kasutuselevõtukõrgustel u = 48 mm ja 58.5 mm. Potentsiaalne energiafunktsioon on selgelt asümmeetriline erinevate energiabarjääridega ∆E0 punktis S0 ja ∆E1 punktis S1.
Lülitid asetati elektrodünaamilisele loksutile, mis tagab aluse kontrollitud ergastuse aksiaalsuunas. Vastuseks ergastusele võngub lüliti ülemine pind vertikaalses suunas. Lüliti ülemise pinna asend aluse suhtes mõõdeti laservibromeetriga (2а).
Pilt nr 2
Leiti, et lüliti kohalik resonantssagedus selle kahe oleku jaoks on 11.8 Hz S0 ja 9.7 Hz S1 puhul. Kahe oleku vahelise ülemineku algatamiseks, st väljumiseks potentsiaalne kaev*, tehti kindlaksmääratud sageduste ümber väga aeglane (0.05 Hz/s) kahesuunaline lineaarne sageduse pühkimine baaskiirendusega 13 ms-2. Täpsemalt, KIMS paigutati algselt positsioonile S0 ja sageduse suurenemine käivitati 6 Hz juures.
Potentsiaalne kaev* - piirkond, kus on osakese potentsiaalse energia lokaalne miinimum.
Nagu näha 2bKui sõidusagedus jõuab ligikaudu 7.8 Hz-ni, väljub lüliti S0 potentsiaalist hästi ja siseneb S1 potentsiaali. Lüliti jäi endiselt S1-sse, kui sagedus suurenes veelgi.
Seejärel seati lüliti uuesti asendisse S0, kuid seekord käivitati allakäik 16 Hz juures. Sel juhul, kui sagedus läheneb 8.8 Hz, väljub lüliti S0-st ja siseneb potentsiaalsesse auku S1 ja jääb sinna.
Olekus S0 on aktiveerimisriba 1 Hz [7.8, 8.8] kiirendusega 13 ms-2 ja S1 - 6...7.7 Hz (2c). Sellest järeldub, et KIMS saab valikuliselt lülituda kahe oleku vahel sama suuruse, kuid erineva sagedusega aluse harmoonilise ergastuse kaudu.
KIMS-i lülitusriba laius sõltub keerukalt selle potentsiaalse energia funktsiooni kujust, summutusomadustest ja harmoonilise ergastuse parameetritest (sagedus ja suurus). Lisaks ei sisalda aktiveerimise ribalaius lüliti pehmendava mittelineaarse käitumise tõttu tingimata lineaarset resonantssagedust. Seetõttu on oluline, et lüliti aktiveerimise kaart luuakse iga KIMS-i jaoks eraldi. Seda kaarti kasutatakse ergastuse sageduse ja suuruse iseloomustamiseks, mille tulemuseks on lülitumine ühest olekust teise ja vastupidi.
Sellist kaarti saab katseliselt luua erinevatel ergastustasemetel sageduse pühkimisega, kuid see protsess on väga töömahukas. Seetõttu otsustasid teadlased selles etapis liikuda edasi lüliti modelleerimisega, kasutades katsete käigus kindlaks tehtud potentsiaalset energiafunktsiooni (1h).
Mudel eeldab, et lüliti dünaamilist käitumist saab hästi lähendada asümmeetrilise bistabiilse Helmholtz-Duffingi ostsillaatori dünaamikaga, mille liikumisvõrrandit saab väljendada järgmiselt:
kus u — akrüülpolügooni liikuva külje kõrvalekalle fikseeritud pinna suhtes; m — lüliti efektiivne mass; c — katseliselt määratud viskoossusummutustegur; ais – bistabiilsed taastavad jõukoefitsiendid; ab ja Ω on baassuurus ja kiirenduse sagedus.
Simulatsiooni põhiülesanne on selle valemi abil luua ab ja Ω kombinatsioonid, mis võimaldavad lülituda kahe erineva oleku vahel.
Teadlased märgivad, et kriitilisi ergastussagedusi, mille juures bistabiilne ostsillaator läheb ühest olekust teise, saab ligikaudselt hinnata kahe sagedusega hargnemised*: perioodi kahekordistumise bifurkatsioon (PD) ja tsükliline voltide bifurkatsioon (CF).
Bifurkatsioon* — süsteemi kvalitatiivne muutmine, muutes parameetreid, millest see sõltub.
Lähendamist kasutades konstrueeriti KIMS-i sageduskarakteristiku kõverad selle kahes olekus. Diagrammil 2 näitab lüliti sageduskarakteristiku kõveraid S0 juures kahe erineva baaskiirenduse taseme jaoks.
Baaskiirendusel 5 ms-2 näitab amplituudi-sageduse kõver kerget pehmenemist, kuid ebastabiilsust ega hargnemisi ei esine. Seega jääb lüliti S0 olekusse olenemata sageduse muutumisest.
Kui aga baaskiirendust suurendatakse 13 ms-2-ni, väheneb stabiilsus PD bifurkatsiooni tõttu, kuna sõidusagedus väheneb.
Sama skeemi abil saadi S1 lüliti sageduskarakteristiku kõverad (2f). Kiirendusel 5 ms-2 jääb vaadeldav muster samaks. Kuna aga baaskiirendus suureneb 10 ms-ni-2 Ilmuvad PD ja CF bifurkatsioonid. Lüliti ergastamine mis tahes sagedusel nende kahe bifurkatsiooni vahel toob kaasa ülemineku S1-lt S0-le.
Simulatsiooniandmed viitavad sellele, et aktiveerimiskaardil on suured piirkonnad, kus iga olekut saab ainulaadsel viisil aktiveerida. See võimaldab teil valida kahe oleku vahel olenevalt päästiku sagedusest ja suurusest. Samuti on näha, et on ala, kus mõlemad olekud saavad korraga ümber lülituda.
Pilt nr 3
Mitme KIMS-i kombinatsiooni saab kasutada mitme biti mehaanilise mälu loomiseks. Muutes lülitite geomeetriat nii, et mis tahes kahe lüliti potentsiaalse energia funktsiooni kuju oleks piisavalt erinev, on võimalik kujundada lülitite aktiveerimisriba nii, et need ei kattuks. Seetõttu on igal lülitil ainulaadsed ergastusparameetrid.
Selle tehnika demonstreerimiseks loodi 2-bitine plaat, mis põhineb kahel erinevate potentsiaalsete omadustega lülitil (3а): bitt 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm ja n = 12; bitt 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm ja n = 12.
Kuna igal bitil on kaks olekut, on võimalik saavutada kokku neli erinevat olekut S00, S01, S10 ja S11 (3b). S-i järel olevad numbrid näitavad vasakpoolse (bit 1) ja parema (bitt 2) lüliti väärtust.
2-bitise lüliti käitumine on näidatud allolevas videos:
Selle seadme põhjal saab luua ka lülitite klastri, mis võib olla mitmebitiste mehaaniliste mäluplaatide aluseks.
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata и talle.
Epiloog
On ebatõenäoline, et keegi origami loojatest kujutaks ette, kuidas nende loomingut tänapäeva maailmas kasutatakse. Ühest küljest näitab see tavalistes paberkujudes peidetud suurt hulka keerulisi elemente; teisalt, et kaasaegne teadus on võimeline neid elemente kasutama millegi täiesti uue loomiseks.
Selles töös said teadlased kasutada Kroeslingi origami geomeetriat, et luua lihtne mehaaniline lüliti, mis võib olenevalt sisendparameetritest olla kahes erinevas olekus. Seda saab võrrelda 0 ja 1-ga, mis on klassikalised teabeühikud.
Saadud seadmed ühendati mehaaniliseks mälusüsteemiks, mis suudab salvestada 2 bitti. Teades, et üks täht võtab enda alla 8 bitti (1 bait), tekib küsimus: mitu sarnast origamit on vaja näiteks “Sõja ja rahu” kirjutamiseks.
Teadlased teavad hästi skeptitsismi, mida nende areng võib põhjustada. Nende sõnul on see uurimus aga mehaanilise mälu valdkonna uurimine. Lisaks ei tohiks katsetes kasutatud origamid olla suured, nende mõõtmeid saab oluliselt vähendada, ilma et see kahjustaks nende omadusi.
Olgu kuidas on, seda tööd ei saa nimetada tavaliseks, banaalseks ega igavaks. Teadust ei kasutata alati millegi konkreetse väljatöötamiseks ja teadlased ei tea alati alguses, mida nad täpselt loovad. Lõppude lõpuks oli enamik leiutisi ja avastusi lihtsa küsimuse tulemus – mis siis, kui?
Aitäh vaatamast, olge uudishimulikud ja ilusat nädalavahetust kõigile! 🙂
Natuke reklaami
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, , algtaseme serverite ainulaadne analoog, mille me teie jaoks leiutasime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2x odavam Amsterdami Equinixi Tier IV andmekeskuses? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com