"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - que teñen en común estes representantes da cultura popular? Todos, nun ou outro grao, presentan a antiga arte xaponesa de dobrar papel: origami. Nas películas, nos xogos e na vida real, a papiroflexia úsase a miúdo como símbolo de certos sentimentos, algúns recordos ou unha mensaxe única. Este é máis un compoñente emocional do origami, pero desde o punto de vista científico, moitos aspectos interesantes de diversas áreas están agochados en figuras de papel: xeometría, matemáticas e mesmo mecánica. Hoxe imos familiarizarnos cun estudo no que científicos do Instituto Americano de Física crearon un dispositivo de almacenamento de datos dobrando/desdobrando figuras de origami. Como funciona exactamente unha tarxeta de memoria en papel, que principios se implementan nela e cantos datos pode almacenar un dispositivo deste tipo? Atoparemos respostas a estas preguntas no informe dos científicos. Vaia.
Base de investigación
É difícil dicir cando se orixinou exactamente. Pero sabemos con certeza que non antes do ano 105 d.C. Foi neste ano cando Cai Lun inventou o papel en China. Por suposto, antes deste momento xa existía o papel, pero non estaba feito de madeira, senón de bambú ou seda. A primeira opción non foi fácil, e a segunda era moi cara. Cai Lun encargouse de elaborar unha nova receita de papel que fose lixeira, barata e fácil de facer. A tarefa non é fácil, pero Cai Lun recorreu á fonte de inspiración máis popular: a natureza. Durante moito tempo observou as avespas, cuxos fogares eran de madeira e fibras vexetais. Tsai Lun realizou moitos experimentos nos que utilizou unha variedade de materiais para o futuro papel (cortiza de árbores, cinzas e mesmo redes de pesca) mesturados con auga. A masa resultante colocouse nunha forma especial e secouse ao sol. O resultado deste traballo colosal foi un obxecto prosaico para o home moderno: o papel.
En 2001, abriuse un parque que leva o nome de Cai Lun na cidade de Leiyang (China).
A difusión do papel a outros países non se produciu inmediatamente; só a principios do século VII a súa receita chegou a Corea e Xapón, e o papel chegou a Europa só nos séculos XI-XII.
O uso máis obvio do papel é, por suposto, os manuscritos e a imprenta. Non obstante, os xaponeses atoparon un uso máis elegante para iso: origami, é dicir. dobrar figuras de papel.
Unha pequena excursión ao mundo da papiroflexia e da enxeñería.
Hai unha gran variedade de opcións de papiroflexia, así como as técnicas para facelos: origami simple, kusudama (modular), plegado en auga, origami de patrón, kirigami, etc. ()
Desde o punto de vista científico, o origami é un metamaterial mecánico cuxas propiedades están determinadas pola súa xeometría, e non polas propiedades do material do que está feito. Hai moito tempo que se demostrou que se poden crear estruturas despregábeis en XNUMXD versátiles con propiedades únicas utilizando patróns de origami repetidos.
Imaxe #1
Na imaxe 1b mostra un exemplo desta estrutura: un fol despregable, construído a partir dunha única folla de papel segundo o diagrama de 1. A partir das opcións de origami dispoñibles, os científicos identificaron unha variante na que se implementa un mosaico de paneis triangulares idénticos dispostos en simetría cíclica, coñecido como origami de Kroesling.
É importante ter en conta que as estruturas baseadas en origami veñen en dous tipos: ríxidas e non ríxidas.
O origami ríxido é unha estrutura tridimensional na que só se deforman os pregamentos entre os paneis durante o despregamento.
Un exemplo notable de origami ríxido é Miura-ori, usado para crear metamateriais mecánicos con relación de Poisson negativa. Este material ten unha ampla gama de aplicacións: exploración espacial, electrónica deformable, músculos artificiais e, por suposto, metamateriais mecánicos reprogramables.
Os origamis non ríxidos son estruturas tridimensionais que presentan deformacións elásticas non ríxidas dos paneis entre os pregamentos durante o despregamento.
Un exemplo desta variante de origami é o patrón de Kroesling mencionado anteriormente, que se utilizou con éxito para crear estruturas con estabilidade múltiple, rixidez, deformación, suavización/endurecemento e/ou rixidez case cero.
Resultados da investigación
Inspirados na arte antiga, os científicos decidiron usar o origami de Kroesling para desenvolver un grupo de interruptores binarios mecánicos que poden ser forzados a cambiar entre dous estados estáticos diferentes usando unha única entrada controlada en forma de excitación harmónica aplicada á base do interruptor. .
Como se ve dende 1b, o fol está fixado nun extremo e sometido a unha carga externa en dirección x no outro extremo libre. Debido a isto, sofre deflexión e rotación simultánea ao longo e ao redor do eixe x. A enerxía acumulada durante a deformación do fol é liberada cando se elimina a carga externa, facendo que o fol volva á súa forma orixinal.
En pocas palabras, estamos a ver un resorte de torsión cuxo poder de restauración depende da forma da función de enerxía potencial do fol. Isto á súa vez depende dos parámetros xeométricos (a0, b0, γ0) do triángulo composto utilizado para construír o fol, así como do número total (n) destes triángulos (1).
Para unha determinada combinación de parámetros de deseño xeométrico, a función de enerxía potencial do fol ten un único mínimo correspondente a un punto de equilibrio estable. Para outras combinacións, a función de enerxía potencial ten dous mínimos correspondentes a dúas configuracións de fol estáticos estables, cada unha asociada a unha altura de equilibrio diferente ou, alternativamente, a deflexión do resorte (1s). Este tipo de resorte adoita chamarse biestable (vídeo a continuación).
Na imaxe 1d mostra os parámetros xeométricos que conducen á formación dun resorte biestable e os parámetros que conducen á formación dun resorte monoestable para n=12.
Un resorte biestable pode deterse nunha das súas posicións de equilibrio en ausencia de cargas externas e pódese activar para cambiar entre elas cando se dispón da cantidade adecuada de enerxía. Esta propiedade é a base deste estudo, que examina a creación de interruptores mecánicos Kroesling (KIMS de Interruptores mecánicos inspirados en Kresling) con dous estados binarios.
En particular, como se mostra en 1c, o interruptor pódese activar para a transición entre os seus dous estados proporcionando enerxía suficiente para superar a barreira de potencial (∆E). A enerxía pódese subministrar en forma de actuación cuasi-estática lenta ou aplicando un sinal harmónico á base do interruptor cunha frecuencia de excitación próxima á frecuencia de resonancia local do interruptor nos seus distintos estados de equilibrio. Neste estudo, decidiuse utilizar a segunda opción, xa que a operación resonante harmónica é superior á operación cuasi estática nalgúns aspectos.
En primeiro lugar, a actuación resonante require menos forza para cambiar e xeralmente é máis rápida. En segundo lugar, a conmutación resonante é insensible ás perturbacións externas que non resoan coa conmutación nos seus estados locais. En terceiro lugar, dado que a función potencial do interruptor adoita ser asimétrica con respecto ao punto de equilibrio inestable U0, as características de excitación harmónica necesarias para cambiar de S0 a S1 adoitan ser diferentes das necesarias para cambiar de S1 a S0, o que resulta na posibilidade de conmutación binaria selectiva de excitación.
Esta configuración de KIMS é ideal para crear unha placa de memoria mecánica de varios bits utilizando varios interruptores binarios con diferentes características colocados nunha única plataforma controlada por harmónicos. A creación deste dispositivo débese á sensibilidade da forma da función de enerxía potencial do interruptor aos cambios nos parámetros xeométricos dos paneis principais (1е).
En consecuencia, múltiples KIMS con diferentes características de deseño pódense colocar na mesma plataforma e excitarse para pasar dun estado a outro, individualmente ou en combinación usando diferentes conxuntos de parámetros de excitación.
Na fase de probas prácticas, creouse un interruptor a partir de papel cunha densidade de 180 g/m2 con parámetros xeométricos: γ0 = 26.5 °; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm e n = 12. Estes son os parámetros, a xulgar polos cálculos (1d), e leva a que o resorte resultante sexa biestable. Os cálculos realizáronse mediante un modelo simplificado da cercha axial (estrutura de varilla) do fol.
Usando un láser, realizáronse liñas perforadas nun anaco de papel (1), que son lugares abatibles. Despois fixéronse dobras ao longo dos bordos b0 (curvado cara a fóra) e γ0 (curvado cara a dentro), e os bordos dos extremos afastados uníronse firmemente. As superficies superior e inferior do interruptor reforzáronse con polígonos acrílicos.
A curva de forza de restauración do interruptor obtívose experimentalmente mediante probas de compresión e tracción realizadas nunha máquina de ensaio universal cunha configuración especial que permite xirar a base durante as probas (1f).
Os extremos do polígono de interruptor acrílico fixéronse rixidamente e aplicouse un desprazamento controlado ao polígono superior a unha velocidade obxectivo de 0.1 mm/s. Aplicáronse cíclicamente os desprazamentos de tracción e compresión e limitáronse a 13 mm. Xusto antes da proba real do dispositivo, o interruptor axústase realizando dez ciclos de carga deste tipo antes de rexistrar a forza de restauración mediante unha célula de carga de 50 N. Activado 1g mostra a curva da forza restauradora do interruptor obtida experimentalmente.
A continuación, integrando a forza de restauración media do interruptor no rango de operación, a función de enerxía potencial (1h). Os mínimos na función de enerxía potencial representan equilibrios estáticos asociados aos dous estados de conmutación (S0 e S1). Para esta configuración particular, S0 e S1 ocorren en alturas de despregamento u = 48 mm e 58.5 mm, respectivamente. A función de enerxía potencial é claramente asimétrica con diferentes barreiras enerxéticas ∆E0 no punto S0 e ∆E1 no punto S1.
Os interruptores colocáronse nun agitador electrodinámico, que proporciona unha excitación controlada da base na dirección axial. En resposta á excitación, a superficie superior do interruptor oscila nunha dirección vertical. A posición da superficie superior do interruptor en relación á base foi medida usando un vibrómetro láser (2).
Imaxe #2
Descubriuse que a frecuencia de resonancia local do interruptor para os seus dous estados é de 11.8 Hz para S0 e 9.7 Hz para S1. Iniciar unha transición entre dous estados, é dicir, unha saída de pozo potencial*, realizouse un varrido de frecuencia lineal bidireccional moi lento (0.05 Hz/s) ao redor das frecuencias identificadas cunha aceleración base de 13 ms-2. En concreto, o KIMS situouse inicialmente en S0 e o varrido de frecuencia crecente iniciouse a 6 Hz.
Pozo potencial* - a rexión onde hai un mínimo local da enerxía potencial da partícula.
Como se viu en 2bCando a frecuencia de condución alcanza aproximadamente 7.8 Hz, o interruptor sae do pozo de potencial S0 e entra no pozo de potencial S1. O interruptor continuou permanecendo en S1 mentres a frecuencia aumentaba aínda máis.
O interruptor volveuse a configurar en S0, pero esta vez iniciouse o barrido descendente a 16 Hz. Neste caso, cando a frecuencia se achega aos 8.8 Hz, o interruptor sae de S0 e entra e permanece no pozo de potencial S1.
O estado S0 ten unha banda de activación de 1 Hz [7.8, 8.8] cunha aceleración de 13 ms-2, e S1 - 6...7.7 Hz (2s). Segue que KIMS pode cambiar selectivamente entre dous estados mediante a excitación harmónica dunha base da mesma magnitude pero con diferente frecuencia.
O ancho de banda de conmutación dun KIMS ten unha dependencia complexa da forma da súa función de enerxía potencial, as características de amortiguamento e os parámetros de excitación harmónica (frecuencia e magnitude). Ademais, debido ao comportamento non lineal de suavización do interruptor, o ancho de banda de activación non inclúe necesariamente a frecuencia de resonancia lineal. Polo tanto, é importante que o mapa de activación do interruptor se cree para cada KIMS individualmente. Este mapa utilízase para caracterizar a frecuencia e a magnitude da excitación que produce o cambio dun estado a outro e viceversa.
Este mapa pódese crear experimentalmente mediante o varrido de frecuencia a diferentes niveis de excitación, pero este proceso é moi laborioso. Polo tanto, os científicos decidiron nesta fase pasar a modelar o interruptor, utilizando a función de enerxía potencial determinada durante os experimentos (1h).
O modelo asume que o comportamento dinámico do interruptor pode ser ben aproximado pola dinámica dun oscilador Helmholtz-Duffing biestable asimétrico, cuxa ecuación de movemento pode expresarse do seguinte xeito:
onde u — desviación da cara móbil do polígono acrílico con respecto á fixa; m — masa efectiva do interruptor; c — coeficiente de amortiguamento viscoso determinado experimentalmente; ais—coeficientes de forza de restauración biestables; ab e Ω son a magnitude base e a frecuencia de aceleración.
A principal tarefa da simulación é utilizar esta fórmula para establecer combinacións de ab e Ω que permitan cambiar entre dous estados diferentes.
Os científicos sinalan que as frecuencias de excitación críticas ás que un oscilador biestable pasa dun estado a outro poden ser aproximadas mediante dúas frecuencias. bifurcacións*: bifurcación de dobramento de períodos (PD) e bifurcación de pregamentos cíclicos (CF).
Bifurcación* — cambio cualitativo do sistema modificando os parámetros dos que depende.
Usando a aproximación, construíronse curvas de resposta en frecuencia de KIMS nos seus dous estados. No gráfico 2е mostra as curvas de resposta en frecuencia do interruptor en S0 para dous niveis de aceleración base diferentes.
A unha aceleración base de 5 ms-2, a curva amplitude-frecuencia mostra un lixeiro suavizado, pero sen inestabilidade nin bifurcacións. Así, o interruptor permanece no estado S0 sen importar como cambie a frecuencia.
Non obstante, cando a aceleración base aumenta a 13 ms-2, a estabilidade diminúe debido á bifurcación PD a medida que diminúe a frecuencia de condución.
Usando o mesmo esquema, obtivéronse curvas de resposta en frecuencia do interruptor en S1 (2f). A unha aceleración de 5 ms-2, o patrón observado segue sendo o mesmo. Non obstante, a medida que a aceleración base aumenta a 10 ms-2 Aparecen bifurcacións PD e CF. A excitación do cambio a calquera frecuencia entre estas dúas bifurcacións resulta nun cambio de S1 a S0.
Os datos da simulación suxiren que hai grandes rexións no mapa de activación nas que cada estado se pode activar dun xeito único. Isto permítelle cambiar selectivamente entre dous estados dependendo da frecuencia e magnitude do disparador. Tamén se pode ver que hai unha zona onde ambos os estados poden cambiar simultaneamente.
Imaxe #3
Pódese usar unha combinación de varios KIMS para crear unha memoria mecánica de varios bits. Variando a xeometría do interruptor para que a forma da función de enerxía potencial de dous interruptores calquera sexa suficientemente diferente, é posible deseñar o ancho de banda de activación dos interruptores para que non se superpoñan. Debido a isto, cada interruptor terá parámetros de excitación únicos.
Para demostrar esta técnica, creouse unha placa de 2 bits baseada en dous interruptores con diferentes características potenciais (3): bit 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm e n = 12; bit 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm e n = 12.
Dado que cada bit ten dous estados, pódense acadar un total de catro estados diferentes S00, S01, S10 e S11 (3b). Os números despois de S indican o valor dos interruptores esquerdo (bit 1) e dereito (bit 2).
O comportamento dun interruptor de 2 bits móstrase no seguinte vídeo:
Con base neste dispositivo, tamén pode crear un grupo de interruptores, que poden ser a base de placas de memoria mecánica de varios bits.
Para un coñecemento máis detallado dos matices do estudo, recoméndolle ollar и a el.
Epílogo
É improbable que algún dos creadores de origami puidese imaxinar como se usaría a súa creación no mundo moderno. Por unha banda, isto indica unha gran cantidade de elementos complexos agochados en figuras de papel comúns; por outra banda, que a ciencia moderna é capaz de utilizar estes elementos para crear algo completamente novo.
Neste traballo, os científicos puideron utilizar a xeometría de origami de Kroesling para crear un interruptor mecánico sinxelo que pode estar en dous estados diferentes, dependendo dos parámetros de entrada. Isto pódese comparar con 0 e 1, que son as unidades clásicas de información.
Os dispositivos resultantes combináronse nun sistema de memoria mecánica capaz de almacenar 2 bits. Sabendo que unha letra ocupa 8 bits (1 byte), xorde a pregunta: cantos origamis similares serán necesarios para escribir "Guerra e Paz", por exemplo.
Os científicos son ben conscientes do escepticismo que pode provocar o seu desenvolvemento. Porén, segundo eles, esta investigación é unha exploración no campo da memoria mecánica. Ademais, o origami utilizado nos experimentos non debe ser grande; as súas dimensións poden reducirse significativamente sen comprometer as súas propiedades.
Sexa como for, esta obra non se pode chamar ordinaria, banal ou aburrida. A ciencia non sempre se usa para desenvolver algo específico, e os científicos non sempre saben inicialmente o que están creando exactamente. Despois de todo, a maioría dos inventos e descubrimentos foron o resultado dunha simple pregunta: e se?
Grazas por ver, quédate con curiosidade e teñades unha boa fin de semana a todos! 🙂
Un pouco de publicidade
Grazas por estar connosco. Gústanche os nosos artigos? Queres ver máis contido interesante? Apóyanos facendo un pedido ou recomendando a amigos, , un análogo único de servidores de nivel de entrada, que inventamos nós para ti: (dispoñible con RAID1 e RAID10, ata 24 núcleos e ata 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces máis barato no centro de datos Equinix Tier IV en Amsterdam? Só aquí nos Países Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - desde $ 99! Ler sobre
Fonte: www.habr.com