"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - mitä yhteistä näillä populaarikulttuurin edustajilla on? Kaikissa, tavalla tai toisella, on muinainen japanilainen paperin taittamisen taito - origami. Elokuvissa, peleissä ja oikeassa elämässä origamia käytetään usein tiettyjen tunteiden, joidenkin muistojen tai ainutlaatuisen viestin symbolina. Tämä on enemmän origamin emotionaalinen komponentti, mutta tieteellisestä näkökulmasta paperikuvioihin on piilotettu monia mielenkiintoisia näkökohtia eri aloilta: geometria, matematiikka ja jopa mekaniikka. Tänään tutustumme tutkimukseen, jossa American Institute of Physicsin tutkijat loivat tiedontallennuslaitteen taittelemalla/aukaisemalla origamifiguureja. Miten paperimuistikortti tarkalleen ottaen toimii, mitä periaatteita siinä on toteutettu ja kuinka paljon dataa tällainen laite voi tallentaa? Löydämme vastaukset näihin kysymyksiin tutkijoiden raportista. Mennä.
Tutkimuspohja
On vaikea sanoa, milloin origami syntyi. Mutta tiedämme varmasti, että aikaisintaan vuonna 105 jKr. Tänä vuonna Cai Lun keksi paperin Kiinassa. Tietenkin ennen tätä hetkeä paperia oli jo olemassa, mutta sitä ei valmistettu puusta, vaan bambusta tai silkistä. Ensimmäinen vaihtoehto ei ollut helppo, ja toinen oli erittäin kallis. Cai Lun sai tehtäväkseen keksiä uuden reseptin paperille, joka olisi kevyt, halpa ja helppo valmistaa. Tehtävä ei ole helppo, mutta Cai Lun kääntyi suosituimpaan inspiraation lähteeseen - luontoon. Hän tarkkaili pitkään ampiaisia, joiden kodit olivat puusta ja kasvikuiduista. Tsai Lun suoritti monia kokeita, joissa hän käytti erilaisia materiaaleja tulevaisuuden paperia varten (puunkuorta, tuhkaa ja jopa kalaverkkoja) veteen sekoitettuna. Saatu massa asetettiin erityiseen muotoon ja kuivattiin auringossa. Tämän valtavan työn tulos oli nyky-ihmisen proosallinen esine - paperi.
Vuonna 2001 avattiin Cai Lunin mukaan nimetty puisto Leiyangin kaupungissa (Kiina).
Paperin leviäminen muihin maihin ei tapahtunut heti, sen resepti saapui Koreaan ja Japaniin vasta XNUMX-luvun alussa ja Eurooppaan vasta XNUMX-XNUMX-luvuilla.
Ilmeisin paperin käyttötarkoitus on tietysti käsikirjoitukset ja painatus. Japanilaiset löysivät sille kuitenkin tyylikkäämmän käytön - origamin, ts. taitettavat paperihahmot.
Lyhyt retki origamin ja tekniikan maailmaan.
Origamivaihtoehtoja ja niiden valmistustekniikoita on laaja valikoima: yksinkertainen origami, kusudama (modulaarinen), märkätaitto, kuvioorigami, kirigami jne. ()
Tieteellisesti katsottuna origami on mekaaninen metamateriaali, jonka ominaisuudet määräytyvät sen geometrian eikä sen materiaalin ominaisuuksien perusteella, josta se on valmistettu. Jo jonkin aikaa on osoitettu, että monipuolisia XNUMXD-käyttöönotettavia rakenteita, joilla on ainutlaatuiset ominaisuudet, voidaan luoda toistuvien origami-kuvioiden avulla.
Kuva #1
Kuvan päällä 1b näyttää esimerkin tällaisesta rakenteesta - levitettävä palke, joka on rakennettu yhdestä paperiarkista kaavion mukaisesti 1a. Käytettävissä olevista origamivaihtoehdoista tutkijat ovat tunnistaneet muunnelman, jossa toteutetaan identtisten kolmion muotoisten paneelien mosaiikki, jotka on järjestetty sykliseen symmetriaan, joka tunnetaan nimellä Kroesling origami.
On tärkeää huomata, että origami-pohjaisia rakenteita on kahta tyyppiä: jäykkiä ja ei-jäykkiä.
Jäykkä origami on kolmiulotteinen rakenne, jossa vain paneelien väliset taitokset muuttuvat avautuessaan.
Merkittävä esimerkki jäykästä origamista on Miura-ori, jota käytetään luomaan mekaanisia metamateriaaleja negatiivisella Poisson-suhteella. Tällaisilla materiaaleilla on laaja valikoima sovelluksia: avaruustutkimus, muotoutuva elektroniikka, keinotekoiset lihakset ja tietysti uudelleenohjelmoitavat mekaaniset metamateriaalit.
Ei-jäykät origamit ovat kolmiulotteisia rakenteita, joissa paneelien ei-jäykkä elastinen muodonmuutos taitteiden välillä avautuu.
Esimerkki tällaisesta origami-variantista on aiemmin mainittu Kroesling-kuvio, jota on menestyksekkäästi käytetty luomaan rakenteita, joilla on säädettävä monivakaus, jäykkyys, muodonmuutos, pehmeneminen/kovettuminen ja/tai lähes nollajäykkyys.
Tutkimuksen tulokset
Muinaisen taiteen inspiroimana tutkijat päättivät käyttää Kroeslingin origamia kehittääkseen mekaanisten binäärikytkimien klusterin, joka voidaan pakottaa vaihtamaan kahden eri staattisen tilan välillä käyttämällä yhtä ohjattua tuloa kytkimen pohjaan kohdistetun harmonisen virityksen muodossa. .
Kuten nähtynä 1b, palkeet on kiinnitetty toisesta päästään ja ulkopuoliselle kuormitukselle x-suunnassa toisessa vapaassa päässä. Tästä johtuen se joutuu samanaikaisesti taipumaan ja pyörimään x-akselia pitkin ja sen ympäri. Paljeen muodonmuutoksen aikana kertynyt energia vapautuu, kun ulkoinen kuormitus poistetaan, jolloin palje palautuu alkuperäiseen muotoonsa.
Yksinkertaisesti sanottuna tarkastelemme vääntöjousta, jonka palautusvoima riippuu palkeen potentiaalienergiafunktion muodosta. Tämä puolestaan riippuu palkeen rakentamiseen käytetyn yhdistetyn kolmion geometrisista parametreista (a0, b0, γ0) sekä näiden kolmioiden kokonaismäärästä (n)1a).
Tietylle geometristen suunnitteluparametrien yhdistelmälle palkeen potentiaalienergiafunktiolla on yksi minimi, joka vastaa yhtä vakaata tasapainopistettä. Muissa yhdistelmissä potentiaalienergiafunktiolla on kaksi minimiä, jotka vastaavat kahta stabiilia staattista paljekokoonpanoa, joista kumpikin liittyy erilaiseen tasapainokorkeuteen tai vaihtoehtoisesti jousen taipumaan (1s). Tämän tyyppistä jousta kutsutaan usein bistabiiliksi (video alla).
Kuvan päällä 1d esittää geometriset parametrit, jotka johtavat bistabiilin jousen muodostumiseen ja parametrit, jotka johtavat monostabiilin jousen muodostumiseen, kun n=12.
Bstabiili jousi voi pysähtyä johonkin tasapainoasennostaan ulkoisten kuormien puuttuessa ja se voidaan aktivoida vaihtamaan niiden välillä, kun oikea määrä energiaa on käytettävissä. Tämä ominaisuus on perustana tälle tutkimukselle, jossa tarkastellaan Kroeslingin mekaanisten kytkimien (KIMS alkaen Kresling-vaikutteiset mekaaniset kytkimet) kahdella binääritilalla.
Erityisesti, kuten näkyy 1c, kytkin voidaan aktivoida siirtymään kahden tilan välillä syöttämällä tarpeeksi energiaa potentiaaliesteen (∆E) ylittämiseksi. Energiaa voidaan syöttää hitaan kvasistaattisen aktivoinnin muodossa tai kohdistamalla kytkimen pohjaan harmoninen signaali, jonka viritystaajuus on lähellä kytkimen paikallista resonanssitaajuutta sen eri tasapainotiloissa. Tässä tutkimuksessa päätettiin käyttää toista vaihtoehtoa, koska harmoninen resonanssitoiminta on joissain suhteissa parempi kuin kvasistaattinen toiminta.
Ensinnäkin resonanssikäyttö vaatii vähemmän voimaa kytkeäkseen ja on yleensä nopeampi. Toiseksi, resonanssikytkentä ei ole herkkä ulkoisille häiriöille, jotka eivät resonoi kytkimen kanssa sen paikallisissa tiloissa. Kolmanneksi, koska kytkimen potentiaalifunktio on tavallisesti epäsymmetrinen epävakaan tasapainopisteen U0 suhteen, vaihdossa S0:sta S1:een vaadittavat harmoniset heräteominaisuudet ovat tavallisesti erilaisia kuin vaihtamiseen S1:stä S0:aan, mikä johtaa mahdollisuuteen heräte-selektiivinen binäärikytkentä .
Tämä KIMS-kokoonpano sopii erinomaisesti monibittisen mekaanisen muistikortin luomiseen käyttämällä useita binäärikytkimiä, joilla on erilaiset ominaisuudet ja jotka on sijoitettu yhdelle harmonisesti ohjattavalle alustalle. Tällaisen laitteen luominen johtuu kytkimen potentiaalisen energiafunktion muodon herkkyydestä pääpaneelien geometristen parametrien muutoksille (1е).
Näin ollen useita KIMS:itä, joilla on erilaiset suunnitteluominaisuudet, voidaan sijoittaa samalle alustalle ja herättää siirtymään tilasta toiseen, yksittäin tai yhdistelmänä käyttämällä erilaisia heräteparametrijoukkoja.
Käytännön testausvaiheessa luotiin kytkin paperista, jonka tiheys on 180 g/m2 ja jonka geometriset parametrit: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm ja n = 12. Nämä ovat parametrit laskelmien perusteella (1d), ja johtaa siihen, että tuloksena oleva jousi on bistabiili. Laskelmat suoritettiin käyttämällä palkeen aksiaalisen ristikon (tankorakenteen) yksinkertaistettua mallia.
Paperinpalalle tehtiin laserilla rei'itettyjä viivoja (1a), jotka ovat kokoontaitettavia paikkoja. Sitten tehtiin taitoksia pitkin reunoja b0 (kaareva ulospäin) ja γ0 (kaareva sisäänpäin), ja etäpäiden reunat liitettiin tiiviisti. Kytkimen ylä- ja alapinnat on vahvistettu akryylipolygoneilla.
Kytkimen palautusvoimakäyrä saatiin kokeellisesti puristus- ja vetokokeilla, jotka suoritettiin yleisellä testauskoneella, jossa oli erityinen kokoonpano, joka mahdollistaa alustan pyörittämisen testien aikana (1f).
Akryylikytkinpolygonin päät kiinnitettiin jäykästi ja ylimpään polygoniin kohdistettiin ohjattu siirtymä tavoitenopeudella 0.1 mm/s. Veto- ja puristussiirtymät käytettiin syklisesti ja rajoitettiin 13 mm:iin. Juuri ennen laitteen varsinaista testausta kytkintä säädetään suorittamalla kymmenen tällaista kuormitusjaksoa, ennen kuin palautusvoima mitataan 50 N:n punnituskennolla. Päällä 1g näyttää kokeellisesti saadun kytkimen palautusvoimakäyrän.
Seuraavaksi integroimalla kytkimen keskimääräinen palautusvoima toiminta-alueella, potentiaalisen energian funktio (1h). Potentiaalienergiafunktion minimit edustavat staattisia tasapainoja, jotka liittyvät kahteen kytkentätilaan (S0 ja S1). Tässä konfiguraatiossa S0 ja S1 esiintyvät asennuskorkeuksilla u = 48 mm ja 58.5 mm. Potentiaalienergiafunktio on selvästi epäsymmetrinen eri energiaesteillä ∆E0 pisteessä S0 ja ∆E1 pisteessä S1.
Kytkimet asetettiin sähködynaamiseen ravistimeen, joka tarjoaa pohjan ohjatun virityksen aksiaalisuunnassa. Vastauksena herätteeseen kytkimen yläpinta värähtelee pystysuunnassa. Kytkimen yläpinnan asento alustaan nähden mitattiin laservibrometrillä (2a).
Kuva #2
Havaittiin, että kytkimen paikallinen resonanssitaajuus sen kahdessa tilassa on 11.8 Hz S0:lle ja 9.7 Hz S1:lle. Aloita siirtyminen kahden tilan välillä, eli poistuminen potentiaalinen kaivo*, erittäin hidas (0.05 Hz/s) kaksisuuntainen lineaarinen taajuuspyyhkäisy suoritettiin tunnistettujen taajuuksien ympäri peruskiihtyvyydellä 13 ms-2. Tarkemmin sanottuna KIMS sijoitettiin alun perin kohtaan SO ja kasvava taajuuspyyhkäisy aloitettiin 0 Hz:llä.
potentiaalinen kaivo* - alue, jossa on hiukkasen potentiaalienergian paikallinen minimi.
Kuten nähdään 2bKun ajotaajuus saavuttaa noin 7.8 Hz, kytkin jättää S0-potentiaalin hyvin ja siirtyy S1-potentiaaliin. Kytkin pysyi edelleen S1:ssä taajuuden kasvaessa edelleen.
Kytkin asetettiin sitten uudelleen asentoon S0, mutta tällä kertaa alaspyyhkäisy aloitettiin taajuudella 16 Hz. Tässä tapauksessa, kun taajuus lähestyy 8.8 Hz, kytkin poistuu S0:sta ja menee potentiaalikaivoon S1 ja jää siihen.
Tilan S0 aktivointikaista on 1 Hz [7.8, 8.8] kiihtyvyydellä 13 ms-2 ja S1 - 6...7.7 Hz (2s). Tästä seuraa, että KIMS voi selektiivisesti vaihtaa kahden tilan välillä harmonisen herätteen avulla, jonka kanta on sama, mutta eri taajuudella.
KIMS:n kytkentäkaistanleveydellä on monimutkainen riippuvuus sen potentiaalisen energiafunktion muodosta, vaimennusominaisuuksista ja harmonisen herätteen parametreista (taajuus ja suuruus). Lisäksi kytkimen pehmenevän epälineaarisen käyttäytymisen vuoksi aktivointikaistanleveys ei välttämättä sisällä lineaarista resonanssitaajuutta. Siksi on tärkeää, että kytkimen aktivointikartta luodaan jokaiselle KIMS:lle erikseen. Tätä karttaa käytetään karakterisoimaan virityksen taajuutta ja suuruutta, joka johtaa siirtymiseen tilasta toiseen ja päinvastoin.
Tällainen kartta voidaan luoda kokeellisesti taajuuspyyhkäisyllä eri viritystasoilla, mutta tämä prosessi on erittäin työvoimavaltainen. Siksi tutkijat päättivät tässä vaiheessa siirtyä kytkimen mallintamiseen käyttämällä kokeiden aikana määritettyä potentiaalisen energiafunktiota (1h).
Mallissa oletetaan, että kytkimen dynaaminen käyttäytyminen voidaan hyvin approksimoida epäsymmetrisen bistabiilin Helmholtz–Duffing-oskillaattorin dynamiikalla, jonka liikeyhtälö voidaan ilmaista seuraavasti:
missä u — akryylipolygonin liikkuvan pinnan poikkeama suhteessa kiinteään pintaan; m — kytkimen tehollinen massa; c — viskoosin vaimennuskerroin määritetty kokeellisesti; ais – bistabiilit palautusvoimakertoimet; ab ja Ω ovat perusmagnitudi ja kiihtyvyystaajuus.
Simulaation päätehtävä on käyttää tätä kaavaa luomaan ab:n ja Ω:n yhdistelmiä, jotka mahdollistavat vaihdon kahden eri tilan välillä.
Tutkijat huomauttavat, että kriittiset viritystaajuudet, joilla bistabiili oskillaattori siirtyy tilasta toiseen, voidaan arvioida kahdella taajuudella haarautumat*: jakso kaksinkertaistuva bifurkaatio (PD) ja syklinen poimubifurkaatio (CF).
Bifurkaatio* — järjestelmän laadullinen muutos muuttamalla parametreja, joista se riippuu.
Approksimaatiota käyttäen muodostettiin KIMS:n taajuusvastekäyrät sen kahdessa tilassa. Kaaviossa 2е näyttää kytkimen taajuusvastekäyrät S0:ssa kahdella eri peruskiihtyvyystasolla.
Peruskiihtyvyydellä 5 ms-2 amplitudi-taajuuskäyrä näyttää lievää pehmenemistä, mutta ei epävakautta tai haarautumia. Siten kytkin pysyy S0-tilassa riippumatta siitä, kuinka taajuus muuttuu.
Kuitenkin, kun peruskiihtyvyys nostetaan arvoon 13 ms-2, stabiilisuus heikkenee PD-haaroituksesta johtuen ajotaajuuden pienentyessä.
Samaa kaaviota käyttämällä saatiin kytkimen taajuusvastekäyrät S1:ssä (2f). 5 ms-2 kiihtyvyydellä havaittu kuvio pysyy samana. Kuitenkin, kun peruskiihtyvyys kasvaa 10 ms:iin-2 Näkyviin tulee PD- ja CF-haaroja. Kytkimen virittäminen millä tahansa taajuudella näiden kahden haaroittumisen välillä johtaa vaihtoon S1:stä S0:aan.
Simulaatiotiedot viittaavat siihen, että aktivointikartalla on suuria alueita, joissa jokainen tila voidaan aktivoida ainutlaatuisella tavalla. Tämän avulla voit valita kahden tilan välillä liipaisimen taajuudesta ja voimakkuudesta riippuen. Voidaan myös nähdä, että on alue, jossa molemmat tilat voivat vaihtaa samanaikaisesti.
Kuva #3
Useiden KIMS:ien yhdistelmää voidaan käyttää useiden bittien mekaanisen muistin luomiseen. Vaihtelemalla kytkimien geometriaa siten, että minkä tahansa kahden kytkimen potentiaalienergiafunktion muoto on riittävän erilainen, voidaan kytkinten aktivointikaistanleveys suunnitella siten, että ne eivät mene päällekkäin. Tästä johtuen jokaisella kytkimellä on ainutlaatuiset heräteparametrit.
Tämän tekniikan osoittamiseksi luotiin 2-bittinen kortti, joka perustuu kahteen kytkimeen, joilla oli erilaiset potentiaaliominaisuudet (3a): bitti 1 - y0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm ja n = 12; bitti 2 - y0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm ja n = 12.
Koska jokaisella bitillä on kaksi tilaa, voidaan saavuttaa yhteensä neljä eri tilaa S00, S01, S10 ja S11 (3b). S:n jälkeen olevat numerot osoittavat vasemman (bitti 1) ja oikean (bitti 2) kytkimien arvon.
2-bittisen kytkimen toiminta näkyy alla olevassa videossa:
Tämän laitteen pohjalta voit myös luoda kytkimien klusterin, joka voi olla monibittisten mekaanisten muistikorttien perusta.
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan и hänelle.
Epilogi
On epätodennäköistä, että kukaan origamin luojista voisi kuvitella, kuinka heidän luomuksiaan käytettäisiin nykymaailmassa. Toisaalta tämä osoittaa suurta määrää monimutkaisia elementtejä, jotka on piilotettu tavallisiin paperihahmoihin; toisaalta, että moderni tiede pystyy käyttämään näitä elementtejä luomaan jotain täysin uutta.
Tässä työssä tutkijat pystyivät käyttämään Kroeslingin origamigeometriaa yksinkertaisen mekaanisen kytkimen luomiseen, joka voi olla kahdessa eri tilassa syöttöparametreista riippuen. Tätä voidaan verrata 0:een ja 1:een, jotka ovat klassisia tiedon yksiköitä.
Tuloksena saadut laitteet yhdistettiin mekaaniseksi muistijärjestelmäksi, joka pystyy tallentamaan 2 bittiä. Kun tiedät, että yksi kirjain vie 8 bittiä (1 tavu), herää kysymys: kuinka monta samanlaista origamia tarvitaan esimerkiksi "Sota ja rauha" kirjoittamiseen.
Tiedemiehet tietävät hyvin skeptisismin, joita heidän kehitysnsä voi aiheuttaa. Heidän mukaansa tämä tutkimus on kuitenkin tutkimusta mekaanisen muistin alalla. Lisäksi kokeissa käytetyt origamit eivät saa olla suuria, niiden mittoja voidaan pienentää merkittävästi ominaisuuksista tinkimättä.
Oli miten oli, tätä työtä ei voida kutsua tavalliseksi, banaaliksi tai tylsäksi. Tiedettä ei aina käytetä kehittämään jotain erityistä, eivätkä tiedemiehet aina aluksi tiedä, mitä he ovat luomassa. Loppujen lopuksi useimmat keksinnöt ja löydöt olivat tulosta yksinkertaisesta kysymyksestä - entä jos?
Kiitos katsomisesta, pysykää utelias ja hyvää viikonloppua kaikille! 🙂
Jotain mainontaa
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, , ainutlaatuinen lähtötason palvelimien analogi, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi Equinix Tier IV -palvelinkeskuksessa Amsterdamissa? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com