بیت کاغذ: ایجاد یک حافظه مکانیکی از اوریگامی

"Blade Runner"، "Con Air"، "Heavy Rain" - این نمایندگان فرهنگ عامه چه چیزی مشترک دارند؟ همه، به یک درجه یا دیگری، هنر ژاپنی باستانی تا کردن کاغذ - اوریگامی را نشان می دهند. در فیلم ها، بازی ها و در زندگی واقعی، اوریگامی اغلب به عنوان نمادی از احساسات خاص، برخی خاطرات یا یک پیام منحصر به فرد استفاده می شود. این بیشتر یک جزء احساسی اوریگامی است، اما از نقطه نظر علمی، بسیاری از جنبه های جالب از زمینه های مختلف در اشکال کاغذی پنهان شده است: هندسه، ریاضیات و حتی مکانیک. امروز با مطالعه‌ای آشنا می‌شویم که در آن دانشمندان مؤسسه فیزیک آمریکا یک دستگاه ذخیره‌سازی داده‌ها را با تا کردن/باز کردن فیگورهای اوریگامی ایجاد کردند. یک کارت حافظه کاغذی دقیقا چگونه کار می کند، چه اصولی در آن پیاده سازی شده است و چنین دستگاهی چقدر داده می تواند ذخیره کند؟ پاسخ این سوالات را در گزارش دانشمندان خواهیم یافت. برو

مبنای تحقیق

دشوار است که بگوییم دقیقاً کی اوریگامی پیدا شده است. اما به یقین می دانیم که نه زودتر از سال 105 میلادی. در این سال بود که کای لون کاغذ را در چین اختراع کرد. البته قبل از این لحظه، کاغذ قبلاً وجود داشت، اما از چوب ساخته نمی شد، بلکه از بامبو یا ابریشم ساخته می شد. گزینه اول آسان نبود و گزینه دوم بسیار گران بود. Cai Lun وظیفه داشت دستور العمل جدیدی برای کاغذ بیاورد که سبک، ارزان و آسان باشد. این کار آسان نیست، اما Cai Lun به محبوب ترین منبع الهام - طبیعت روی آورد. او برای مدت طولانی زنبورهایی را مشاهده کرد که خانه های آنها از چوب و الیاف گیاهی ساخته شده بود. تسای لون آزمایش های زیادی انجام داد که در آنها از مواد مختلفی برای کاغذهای آینده (پوست درختان، خاکستر و حتی تورهای ماهیگیری) مخلوط با آب استفاده کرد. توده به دست آمده به شکلی خاص ریخته شد و در آفتاب خشک شد. نتیجه این کار عظیم، شیئی بود که برای انسان امروزی عرفی است - کاغذ.

در سال 2001، پارکی به نام کای لون در شهر لی یانگ (چین) افتتاح شد.

گسترش کاغذ به کشورهای دیگر بلافاصله اتفاق نیفتاد؛ فقط در آغاز قرن هفتم دستور پخت آن به کره و ژاپن رسید و کاغذ فقط در قرن های XNUMX-XNUMX به اروپا رسید.

بارزترین کاربرد کاغذ، البته نسخه های خطی و چاپ است. با این حال، ژاپنی ها کاربرد ظریف تری برای آن پیدا کردند - اوریگامی، یعنی. شکل های کاغذی تاشو

سفری کوتاه به دنیای اوریگامی و مهندسی.

گزینه های اوریگامی بسیار متنوع است و همچنین تکنیک های ساخت آنها وجود دارد: اوریگامی ساده، کوسوداما (مدولار)، تاشو مرطوب، اوریگامی الگو، کیریگامی و غیره. (دایره المعارف مصور اوریگامی)

از نقطه نظر علمی، اوریگامی یک متاماده مکانیکی است که خواص آن بر اساس هندسه آن تعیین می شود و نه با خواص ماده ای که از آن ساخته شده است. مدت زیادی است که نشان داده شده است که ساختارهای سه بعدی قابل استقرار همه کاره با ویژگی های منحصر به فرد را می توان با استفاده از تکرار الگوهای اوریگامی ایجاد کرد.

تصویر شماره 1

روی تصویر 1b نمونه ای از چنین ساختاری را نشان می دهد - یک دم قابل استقرار، ساخته شده از یک ورق کاغذ بر اساس نمودار روی 1a. از میان گزینه‌های موجود اوریگامی، دانشمندان گونه‌ای را شناسایی کرده‌اند که در آن موزاییکی از صفحات مثلثی یکسان که در تقارن چرخه‌ای چیده شده‌اند، معروف به اوریگامی کروسلینگ، اجرا شده است.

توجه به این نکته ضروری است که ساختارهای مبتنی بر اوریگامی در دو نوع هستند: صلب و غیر صلب.

اوریگامی صلب یک ساختار سه بعدی است که در آن فقط چین‌های بین پانل‌ها در حین باز شدن تغییر شکل می‌دهند.

یک نمونه قابل توجه از اوریگامی سفت و سخت، میورا اوری است که برای ایجاد فرامواد مکانیکی با نسبت پواسون منفی استفاده می شود. چنین موادی دارای طیف گسترده ای از کاربردها هستند: اکتشاف فضا، الکترونیک قابل تغییر شکل، ماهیچه های مصنوعی و، البته، فرامواد مکانیکی قابل برنامه ریزی مجدد.

اوریگامی غیر صلب سازه های سه بعدی هستند که تغییر شکل الاستیک غیر صلب پانل ها بین چین ها را در حین باز شدن نشان می دهند.

نمونه ای از این گونه اوریگامی، الگوی کروسلینگ است که قبلاً ذکر شد، که با موفقیت برای ایجاد ساختارهایی با ثبات چندگانه، سفتی، تغییر شکل، نرم شدن/سخت شدن و/یا سختی نزدیک به صفر استفاده شده است.

نتایج مطالعه

دانشمندان با الهام از هنر باستانی، تصمیم گرفتند از اوریگامی کروسلینگ برای ایجاد دسته‌ای از کلیدهای دوتایی مکانیکی استفاده کنند که می‌توان آنها را با استفاده از یک ورودی کنترل‌شده به شکل یک تحریک هارمونیک که بر پایه سوئیچ اعمال می‌شود، بین دو حالت استاتیک مختلف سوئیچ کرد. .

همانطور که از 1b، دم در یک انتها ثابت شده و در انتهای آزاد دیگر تحت بار خارجی در جهت x قرار می گیرد. به همین دلیل در طول و حول محور x دچار انحراف و چرخش همزمان می شود. انرژی انباشته شده در حین تغییر شکل دم هنگام برداشتن بار خارجی آزاد می شود و باعث می شود که دم به شکل اولیه خود بازگردد.

به بیان ساده، ما به یک فنر پیچشی نگاه می کنیم که قدرت بازیابی آن به شکل تابع انرژی پتانسیل دم بستگی دارد. این به نوبه خود به پارامترهای هندسی (a0، b0، γ0) مثلث مرکب مورد استفاده برای ساختن دم، و همچنین تعداد کل (n) این مثلث ها بستگی دارد.1a).

برای ترکیب معینی از پارامترهای طراحی هندسی، تابع انرژی پتانسیل دم دارای یک حداقل منفرد مربوط به یک نقطه تعادل پایدار است. برای ترکیبات دیگر، تابع انرژی پتانسیل دارای دو مینیمم مربوط به دو پیکربندی دم ثابت استاتیک است که هر کدام با ارتفاع تعادل متفاوت یا به طور متناوب، انحراف فنر مرتبط هستند.1). این نوع فنر اغلب بایستی نامیده می شود (فیلم زیر).

روی تصویر 1d پارامترهای هندسی منجر به تشکیل یک چشمه دوپایا و پارامترهای منتهی به تشکیل یک فنر تک پایدار را برای n=12 نشان می دهد.

یک فنر دوپایا می‌تواند در یکی از موقعیت‌های تعادل خود در غیاب بارهای خارجی متوقف شود و زمانی که مقدار مناسب انرژی در دسترس باشد، می‌تواند برای جابه‌جایی بین آنها فعال شود. این ویژگی است که اساس این مطالعه است که ایجاد سوئیچ های مکانیکی کروسلینگ (KIMS از سوئیچ های مکانیکی با الهام از کرسلینگ) با دو حالت باینری.

به طور خاص، همانطور که در 1cسوئیچ را می توان برای انتقال بین دو حالت خود با تامین انرژی کافی برای غلبه بر مانع پتانسیل (∆E) فعال کرد. انرژی را می توان به صورت تحریک شبه استاتیکی آهسته یا با اعمال یک سیگنال هارمونیک به پایه کلید با فرکانس تحریک نزدیک به فرکانس رزونانس محلی کلید در حالت های مختلف تعادل آن تامین کرد. در این تحقیق تصمیم گرفته شد از گزینه دوم استفاده شود زیرا عملیات تشدید هارمونیک از برخی جهات بر عملیات شبه استاتیک برتری دارد.

اول، تحریک رزونانس به نیروی کمتری برای سوئیچ نیاز دارد و به طور کلی سریعتر است. دوم، سوئیچینگ تشدید نسبت به اختلالات خارجی که با سوئیچ در حالت های محلی آن طنین انداز نمی شود، حساس نیست. سوم، از آنجایی که عملکرد پتانسیل کلید معمولاً با توجه به نقطه تعادل ناپایدار U0 نامتقارن است، مشخصه های تحریک هارمونیک مورد نیاز برای تغییر از S0 به S1 معمولاً با موارد مورد نیاز برای تغییر از S1 به S0 متفاوت است و در نتیجه امکان سوئیچینگ باینری انتخابی تحریک

این پیکربندی KIMS برای ایجاد یک برد حافظه مکانیکی چند بیتی با استفاده از چندین سوئیچ باینری با ویژگی‌های مختلف که روی یک پلتفرم هدایت‌شده هارمونیک قرار گرفته‌اند، ایده‌آل است. ایجاد چنین دستگاهی به دلیل حساسیت شکل تابع انرژی پتانسیل سوئیچ به تغییرات پارامترهای هندسی پانل های اصلی است.1е).

در نتیجه، KIMS های متعدد با ویژگی های طراحی متفاوت را می توان بر روی یک پلت فرم قرار داد و برای انتقال از یک حالت به حالت دیگر، به صورت جداگانه یا ترکیبی با استفاده از مجموعه های مختلف پارامترهای برانگیختگی، برانگیخت.

در مرحله آزمایش عملی، یک سوئیچ از کاغذ با چگالی 180 گرم بر متر مربع با پارامترهای هندسی ایجاد شد: γ2 = 0 درجه؛ b26.5/a0 = 0; a1.68 = 0 mm و n = 40. این پارامترها با قضاوت بر اساس محاسبات (1dو منجر به دوپایی بودن فنر حاصل می شود. محاسبات با استفاده از مدل ساده شده خرپا محوری (ساختار میله ای) دم انجام شد.

با استفاده از لیزر، خطوط سوراخ شده روی یک تکه کاغذ ساخته شد (1a) که مکان های تاشو هستند. سپس چین‌ها در امتداد لبه‌های b0 (خمیده به سمت بیرون) و γ0 (منحنی به سمت داخل) ایجاد می‌شوند و لبه‌های انتهایی محکم به هم متصل می‌شوند. سطوح بالا و پایین کلید با چند ضلعی اکریلیک تقویت شده است.

منحنی نیروی بازگرداندن سوئیچ به صورت تجربی از طریق آزمایش‌های فشرده‌سازی و کشش انجام شده بر روی یک دستگاه تست جهانی با یک تنظیم خاص که اجازه می‌دهد پایه در طول آزمایش‌ها بچرخد، به دست آمد.1f).

انتهای چند ضلعی سوئیچ اکریلیک به طور صلب ثابت شد و یک جابجایی کنترل شده با سرعت هدف 0.1 میلی‌متر بر ثانیه به چند ضلعی بالایی اعمال شد. جابجایی های کششی و فشاری به صورت دوره ای و محدود به 13 میلی متر اعمال شد. درست قبل از آزمایش واقعی دستگاه، سوئیچ با انجام ده چرخه بار از این قبیل قبل از ثبت نیروی بازیابی با استفاده از یک لودسل 50N تنظیم می شود. بر 1g منحنی نیروی بازگردانی سوئیچ را نشان می دهد که به صورت تجربی بدست آمده است.

سپس، با ادغام میانگین نیروی بازگردانی سوئیچ در محدوده عملیاتی، تابع انرژی پتانسیل (1h). حداقل در تابع انرژی پتانسیل نشان دهنده تعادل ایستا مرتبط با دو حالت سوئیچ (S0 و S1) است. برای این پیکربندی خاص، S0 و S1 به ترتیب در ارتفاعات استقرار u = 48 میلی‌متر و 58.5 میلی‌متر رخ می‌دهند. تابع انرژی پتانسیل با موانع انرژی متفاوت ΔE0 در نقطه S0 و ∆E1 در نقطه S1 به وضوح نامتقارن است.

سوئیچ ها روی یک تکان دهنده الکترودینامیکی قرار گرفتند که تحریک کنترل شده پایه را در جهت محوری فراهم می کند. در پاسخ به تحریک، سطح بالایی سوئیچ در جهت عمودی نوسان می کند. موقعیت سطح بالای سوئیچ نسبت به پایه با استفاده از ارتعاش سنج لیزری اندازه گیری شد.2a).

تصویر شماره 2

مشخص شد که فرکانس تشدید محلی سوئیچ برای دو حالت آن 11.8 هرتز برای S0 و 9.7 هرتز برای S1 است. برای شروع یک انتقال بین دو حالت، یعنی خروج از چاه بالقوه*، یک جارو فرکانس خطی دو جهته بسیار آهسته (0.05 هرتز بر ثانیه) در اطراف فرکانس های شناسایی شده با شتاب پایه 13 ms-2 انجام شد. به طور خاص، KIMS در ابتدا در S0 قرار گرفت و جابجایی فرکانس افزایشی در 6 هرتز آغاز شد.

چاه پتانسیل* - منطقه ای که حداقل محلی از انرژی پتانسیل ذره وجود دارد.

همانطور که دیده می شود 2bهنگامی که فرکانس رانندگی تقریباً به 7.8 هرتز می رسد، سوئیچ از چاه پتانسیل S0 خارج شده و وارد چاه پتانسیل S1 می شود. با افزایش بیشتر فرکانس، سوئیچ همچنان در S1 باقی می ماند.

سپس سوئیچ مجدداً روی S0 تنظیم شد، اما این بار downsweep در 16 هرتز آغاز شد. در این حالت وقتی فرکانس به 8.8 هرتز نزدیک می شود، سوئیچ از S0 خارج شده و وارد چاه پتانسیل S1 شده و باقی می ماند.

حالت S0 دارای باند فعال سازی 1 هرتز [7.8، 8.8] با شتاب 13 ms-2، و S1 - 6...7.7 هرتز (2). نتیجه این است که KIMS می تواند به طور انتخابی بین دو حالت از طریق برانگیختگی هارمونیک پایه ای با همان بزرگی اما فرکانس متفاوت سوئیچ کند.

پهنای باند سوئیچینگ یک KIMS وابستگی پیچیده ای به شکل تابع انرژی پتانسیل، ویژگی های میرایی و پارامترهای تحریک هارمونیک (فرکانس و بزرگی) دارد. علاوه بر این، به دلیل نرم شدن رفتار غیرخطی سوئیچ، پهنای باند فعال سازی لزوما شامل فرکانس رزونانس خطی نمی شود. بنابراین، مهم است که نقشه فعال سازی سوئیچ برای هر KIMS به صورت جداگانه ایجاد شود. این نقشه برای توصیف فرکانس و بزرگی برانگیختگی که منجر به تغییر حالت از حالتی به حالت دیگر و بالعکس می شود استفاده می شود.

چنین نقشه‌ای را می‌توان به‌طور تجربی با جاروب فرکانس در سطوح مختلف تحریک ایجاد کرد، اما این فرآیند بسیار کار بر است. بنابراین، دانشمندان در این مرحله تصمیم گرفتند تا با استفاده از تابع انرژی پتانسیل تعیین شده در طول آزمایش، به مدل سازی سوئیچ بپردازند.1h).

این مدل فرض می‌کند که رفتار دینامیکی سوئیچ را می‌توان با دینامیک یک نوسان‌گر دوپایدار هلمهولتز-دافینگ نامتقارن تقریب زد، معادله حرکت آن را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

جایی که u - انحراف وجه متحرک چند ضلعی اکریلیک نسبت به حالت ثابت. m - جرم موثر سوئیچ؛ c - ضریب میرایی ویسکوز به صورت تجربی تعیین می شود. ais-ضرایب نیروی بازگردان دویستابی. ab و Ω قدر پایه و فرکانس شتاب هستند.

وظیفه اصلی شبیه سازی استفاده از این فرمول برای ایجاد ترکیبی از ab و Ω است که امکان سوئیچینگ بین دو حالت مختلف را فراهم می کند.

دانشمندان خاطرنشان می کنند که فرکانس های تحریک بحرانی که در آن یک نوسان ساز دوپایا از حالتی به حالت دیگر تغییر می کند را می توان با دو فرکانس تقریب زد. دوشاخه ها*: دو شاخه شدن دوره (PD) و انشعاب چین چرخه ای (CF).

دوشاخه شدن* - تغییر کیفی سیستم با تغییر پارامترهایی که به آن بستگی دارد.

با استفاده از تقریب، منحنی های پاسخ فرکانسی KIMS در دو حالت آن ساخته شد. روی نمودار 2е منحنی های پاسخ فرکانسی سوئیچ را در S0 برای دو سطح شتاب پایه مختلف نشان می دهد.

در شتاب پایه 5 ms-2، منحنی دامنه فرکانس نرم شدن جزئی را نشان می دهد، اما بی ثباتی یا انشعاب ندارد. بنابراین، سوئیچ بدون توجه به تغییر فرکانس در حالت S0 باقی می ماند.

با این حال، هنگامی که شتاب پایه به 13 ms-2 افزایش می یابد، پایداری به دلیل انشعاب PD کاهش می یابد زیرا فرکانس حرکت کاهش می یابد.

با استفاده از همین طرح، منحنی های پاسخ فرکانسی سوئیچ در S1 به دست آمد.2f). با شتاب 5 ms-2، الگوی مشاهده شده ثابت می ماند. با این حال، با افزایش شتاب پایه به 10 میلی ثانیه-2 دو شاخه شدن PD و CF ظاهر می شود. تحریک سوئیچ در هر فرکانس بین این دو انشعاب منجر به سوئیچ از S1 به S0 می شود.

داده های شبیه سازی نشان می دهد که مناطق بزرگی در نقشه فعال سازی وجود دارد که در آن هر حالت می تواند به روشی منحصر به فرد فعال شود. این به شما امکان می دهد بسته به فرکانس و بزرگی ماشه به طور انتخابی بین دو حالت سوئیچ کنید. همچنین می توان دید که ناحیه ای وجود دارد که در آن هر دو حالت می توانند به طور همزمان تغییر کنند.

تصویر شماره 3

ترکیبی از چندین KIMS می تواند برای ایجاد یک حافظه مکانیکی از چند بیت استفاده شود. با تغییر هندسه سوئیچ به طوری که شکل تابع انرژی پتانسیل هر دو سوئیچ به اندازه کافی متفاوت باشد، می توان پهنای باند فعال سازی سوئیچ ها را طوری طراحی کرد که با هم همپوشانی نداشته باشند. با توجه به این، هر سوئیچ پارامترهای تحریک منحصر به فرد خواهد داشت.

برای نشان دادن این تکنیک، یک برد 2 بیتی بر اساس دو سوئیچ با ویژگی های پتانسیل متفاوت ایجاد شد.3a): بیت 1 - γ0 = 28 درجه; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 میلی متر و n = 12. بیت 2 - γ0 = 27 درجه؛ b0/a0 = 1.7; a0 = 40 میلی متر و n = 12.

از آنجایی که هر بیت دارای دو حالت است، در مجموع می توان به چهار حالت مختلف S00، S01، S10 و S11 دست یافت.3b). اعداد بعد از S مقدار سوئیچ های چپ (بیت 1) و راست (بیت 2) را نشان می دهد.

رفتار یک سوئیچ 2 بیتی در فیلم زیر نشان داده شده است:

بر اساس این دستگاه می توانید مجموعه ای از سوئیچ ها را نیز ایجاد کنید که می تواند پایه بردهای حافظه مکانیکی چند بیتی باشد.

برای آشنایی دقیق تر با تفاوت های ظریف مطالعه، توصیه می کنم نگاه کنید دانشمندان گزارش می دهند и مواد اضافی به او.

خاتمه

بعید است که هیچ یک از سازندگان اوریگامی تصور کنند که خلقت آنها چگونه در دنیای مدرن مورد استفاده قرار می گیرد. از یک طرف، این نشان دهنده تعداد زیادی از عناصر پیچیده پنهان در شکل های کاغذی معمولی است. از سوی دیگر، علم مدرن قادر است از این عناصر برای خلق چیزی کاملاً جدید استفاده کند.

در این کار، دانشمندان توانستند از هندسه اوریگامی کروسلینگ برای ایجاد یک کلید مکانیکی ساده استفاده کنند که بسته به پارامترهای ورودی می‌تواند در دو حالت مختلف باشد. این را می توان با 0 و 1 که واحدهای کلاسیک اطلاعات هستند مقایسه کرد.

دستگاه های به دست آمده در یک سیستم حافظه مکانیکی با قابلیت ذخیره 2 بیت ترکیب شدند. با دانستن اینکه یک حرف 8 بیت (1 بایت) را اشغال می کند، این سوال مطرح می شود: مثلاً برای نوشتن "جنگ و صلح" به چند اریگامی مشابه نیاز است.

دانشمندان به خوبی از شک و تردیدهایی که توسعه آنها ممکن است ایجاد کند آگاه هستند. اما به گفته آنها این تحقیق کاوش در حوزه حافظه مکانیکی است. علاوه بر این، اوریگامی مورد استفاده در آزمایش ها نباید بزرگ باشد، ابعاد آنها را می توان به میزان قابل توجهی کاهش داد بدون اینکه خواص آنها به خطر بیفتد.

به هر حال این کار را نمی توان معمولی، پیش پا افتاده یا خسته کننده نامید. علم همیشه برای توسعه چیزی خاص استفاده نمی شود و دانشمندان همیشه در ابتدا نمی دانند دقیقاً چه چیزی را ایجاد می کنند. به هر حال، بیشتر اختراعات و اکتشافات نتیجه یک سوال ساده بود - اگر چه؟

از تماشای شما متشکریم، کنجکاو بمانید و آخر هفته خوبی داشته باشید! 🙂

مقداری تبلیغات

از اینکه با ما ماندید متشکرم آیا مقالات ما را دوست دارید؟ آیا می خواهید مطالب جالب تری ببینید؟ با ثبت سفارش یا معرفی به دوستان از ما حمایت کنید ابر VPS برای توسعه دهندگان از 4.99 دلار, یک آنالوگ منحصر به فرد از سرورهای سطح ورودی که توسط ما برای شما اختراع شده است: تمام حقیقت در مورد VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps از 19 دلار یا چگونه سرور را به اشتراک بگذاریم؟ (در دسترس با RAID1 و RAID10، حداکثر 24 هسته و حداکثر 40 گیگابایت DDR4).

Dell R730xd 2 برابر ارزان تر در مرکز داده Equinix Tier IV در آمستردام؟ فقط اینجا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV از 199 دلار در هلند! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - از 99 دلار! در مورد بخوانید نحوه ساخت شرکت زیرساخت کلاس با استفاده از سرورهای Dell R730xd E5-2650 v4 به ارزش 9000 یورو برای یک پنی؟

منبع: www.habr.com