„Blade Runner”, „Con Air”, „Heavy Rain” - mi a közös a populáris kultúra ezen képviselőiben? Valamennyiben, valamilyen szinten, az ősi japán papírhajtogatás művészete – az origami – jellemző. A filmekben, játékokban és a való életben az origamit gyakran használják bizonyos érzések, emlékek vagy egyedi üzenet szimbólumaként. Ez inkább az origami érzelmi összetevője, de tudományos szempontból számos érdekes szempont rejtőzik a papírfigurákban: geometria, matematika és még a mechanika is. Ma egy tanulmánnyal ismerkedünk meg, amelyben az Amerikai Fizikai Intézet tudósai origami figurák hajtogatásával/kihajtogatásával készítettek adattároló eszközt. Pontosan hogyan működik egy papír memóriakártya, milyen elvek valósulnak meg benne, és mennyi adatot képes tárolni egy ilyen készülék? Ezekre a kérdésekre kapunk választ a tudósok jelentésében. Megy.
Kutatási alap
Nehéz megmondani, hogy az origami pontosan mikor keletkezett. De biztosan tudjuk, hogy legkorábban i.sz. 105-ben. Ebben az évben Cai Lun feltalálta a papírt Kínában. Természetesen e pillanat előtt papír már létezett, de nem fából, hanem bambuszból vagy selyemből készült. Az első lehetőség nem volt könnyű, a második pedig rendkívül drága. Cai Lun azt a feladatot kapta, hogy dolgozzon ki egy új papírreceptet, amely könnyű, olcsó és könnyen elkészíthető. A feladat nem könnyű, de Cai Lun a legnépszerűbb inspirációs forráshoz, a természethez fordult. Sokáig megfigyelte a darazsak, akiknek otthona fából és növényi rostokból állt. Tsai Lun számos kísérletet végzett, amelyek során különféle anyagokat használt fel a jövőbeli papírhoz (fakéreg, hamu és még halászhálók is), amelyeket vízzel kevert össze. A kapott masszát speciális formába fektetjük, és a napon szárítjuk. Ennek a kolosszális munkának az eredménye a modern ember számára prózai tárgy – a papír.
2001-ben megnyitották a Cai Lunról elnevezett parkot Leiyang városában (Kína).
A papír elterjedése más országokba nem következett be azonnal, receptje csak a XNUMX. század elején jutott el Koreába és Japánba, Európába a papír csak a XNUMX-XNUMX.
A papír legkézenfekvőbb felhasználása természetesen a kéziratok és a nyomtatás. A japánok azonban találtak rá egy elegánsabb felhasználást - az origamit, i.e. papír figurákat hajtogatni.
Rövid kirándulás az origami és mérnöki világba.
Az origami lehetőségek és az elkészítési technikák széles választéka létezik: egyszerű origami, kusudama (moduláris), nedves hajtogatás, mintás origami, kirigami stb. ()
Tudományos szempontból az origami egy mechanikus metaanyag, amelynek tulajdonságait a geometriája határozza meg, nem pedig annak az anyagnak a tulajdonságai, amelyből készült. Már jó ideje bebizonyosodott, hogy ismétlődő origami minták felhasználásával egyedi tulajdonságokkal rendelkező, sokoldalú, XNUMXD-ben telepíthető struktúrák hozhatók létre.
1. kép
A képen 1b példát mutat egy ilyen szerkezetre - egy kivehető fújtatót, amely egyetlen papírlapból épül fel a diagramon 1a. A rendelkezésre álló origami lehetőségek közül a tudósok azonosítottak egy olyan változatot, amelyben a Kroesling origami néven ismert, ciklikus szimmetriában elhelyezett, azonos háromszög alakú panelek mozaikját valósítják meg.
Fontos megjegyezni, hogy az origami alapú szerkezeteknek két típusa van: merev és nem merev.
A merev origami olyan háromdimenziós szerkezet, amelyben csak a panelek közötti hajtások deformálódnak a kibontás során.
A merev origami figyelemre méltó példája a Miura-ori, amelyet negatív Poisson-arányú mechanikus metaanyagok létrehozására használnak. Az ilyen anyagok alkalmazási köre széles: űrkutatás, deformálható elektronika, mesterséges izmok és természetesen újraprogramozható mechanikus metaanyagok.
A nem merev origami olyan háromdimenziós szerkezetek, amelyek a panelek nem merev rugalmas deformációját mutatják a hajtások között a kibontás során.
Ilyen origami variáns például a korábban említett Kroesling-minta, amelyet sikeresen alkalmaztak hangolható multistabilitású, merevségű, deformálódó, lágyuló/keményedő és/vagy közel nulla merevségű szerkezetek létrehozására.
Kutatási eredmények
Az ókori művészet ihlette a tudósok úgy döntöttek, hogy Kroesling origamiját használják mechanikus bináris kapcsolók klaszterének kifejlesztésére, amelyek két különböző statikus állapot közötti váltásra kényszeríthetők egyetlen vezérelt bemenettel, a kapcsoló alapjára alkalmazott harmonikus gerjesztéssel. .
Ahogyan az látható 1b, a harmonika egyik végén rögzítve van, a másik szabad végén x irányú külső terhelésnek van kitéve. Emiatt az x tengely mentén és körül egyidejű elhajláson és elforduláson megy keresztül. A harmonika deformációja során felhalmozódott energia a külső terhelés megszüntetésekor felszabadul, így a harmonika visszanyeri eredeti alakját.
Egyszerűen fogalmazva, egy torziós rugót nézünk, amelynek visszaállító ereje a csőmembrán potenciális energiafüggvényének alakjától függ. Ez viszont a fújtatók felépítéséhez használt összetett háromszög geometriai paramétereitől (a0, b0, γ0), valamint ezen háromszögek számától (n) függ (1a).
A geometriai tervezési paraméterek bizonyos kombinációja esetén a harmonika potenciálenergia-függvény egyetlen minimummal rendelkezik, amely egy stabil egyensúlyi pontnak felel meg. Más kombinációk esetén a potenciális energiafüggvénynek két minimuma van, amelyek két stabil statikus harmonika-konfigurációnak felelnek meg, amelyek mindegyike eltérő egyensúlyi magassággal, vagy alternatívaként a rugó eltérítésével (1s). Ezt a típusú rugót gyakran bistabilnak nevezik (videó lent).
A képen 1d ábra mutatja a bistabil rugó kialakulásához vezető geometriai és a monostabil rugó kialakulásához vezető paramétereket n=12 esetén.
A bistabil rugó külső terhelés hiányában megállhat az egyik egyensúlyi helyzetében, és aktiválható, hogy váltson közöttük, amikor a megfelelő mennyiségű energia rendelkezésre áll. Ez a tulajdonság az alapja ennek a tanulmánynak, amely a Kroesling mechanikus kapcsolók (KIMS from Kresling-ihlette mechanikus kapcsolók) két bináris állapottal.
Különösen, ahogy az ábrán látható 1c, a kapcsoló aktiválható a két állapot közötti átmenetre, ha elegendő energiát szolgáltat a potenciálgát (∆E) leküzdéséhez. Az energia beadása történhet lassú kvázistatikus működtetés formájában, vagy a kapcsoló alapjára a kapcsoló lokális rezonanciafrekvenciájához közeli gerjesztési frekvenciájú harmonikus jellel, annak különböző egyensúlyi állapotaiban. Ebben a tanulmányban a második lehetőség mellett döntöttünk, mivel a harmonikus rezonáns működés bizonyos szempontból felülmúlja a kvázistatikus működést.
Először is, a rezonáns működtetés kisebb erőt igényel a váltáshoz, és általában gyorsabb. Másodszor, a rezonáns kapcsolás érzéketlen azokra a külső zavarokra, amelyek nem rezonálnak a kapcsolóval a helyi állapotában. Harmadszor, mivel a kapcsoló potenciálfüggvénye általában aszimmetrikus az U0 instabil egyensúlyi ponthoz képest, az S0-ról S1-re való átkapcsoláshoz szükséges harmonikus gerjesztési karakterisztika általában eltér az S1-ről S0-ra való átkapcsoláshoz szükségestől, ami azt eredményezi, hogy gerjesztés-szelektív bináris kapcsolás .
Ez a KIMS-konfiguráció ideális többbites mechanikus memóriakártya létrehozásához több, különböző jellemzőkkel rendelkező bináris kapcsoló használatával, egyetlen harmonikus hajtású platformon. Egy ilyen eszköz létrehozása annak köszönhető, hogy a kapcsoló potenciális energiafüggvénye alakja érzékeny a fő panelek geometriai paramétereinek változásaira (1е).
Következésképpen több, eltérő tervezési jellemzőkkel rendelkező KIMS is elhelyezhető ugyanarra a platformra, és gerjeszthető az egyik állapotból a másikba való átmenethez, külön-külön vagy kombinálva, különböző gerjesztési paraméterek használatával.
A gyakorlati tesztelés szakaszában 180 g/m2 sűrűségű papírból egy kapcsolót készítettek geometriai paraméterekkel: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm és n = 12. Ezek a paraméterek, a számításokból ítélve (1d), és a kapott rugó bistabillá válik. A számításokat a harmonika axiális tartószerkezetének (rúdszerkezetének) egyszerűsített modelljével végeztem.
Egy papírra lézerrel perforált vonalakat készítettek (1a), amelyek összecsukható helyek. Ezt követően a b0 (kifelé ívelt) és a γ0 (befelé ívelt) élek mentén hajtogatásokat végeztünk, és a távolabbi végek éleit szorosan összeillesztették. A kapcsoló felső és alsó felületét akril poligonokkal erősítették meg.
A kapcsoló helyreállító erőgörbéjét kísérleti úton, egy univerzális vizsgálógépen végzett nyomó- és húzópróbákkal kaptuk meg, amely speciális elrendezésű, lehetővé teszi az alap elforgatását a vizsgálatok során (1f).
Az akril kapcsolópoligon végeit mereven rögzítettük, a felső sokszögre pedig szabályozott elmozdulást alkalmaztunk 0.1 mm/s célsebességgel. A húzó és nyomó elmozdulásokat ciklikusan alkalmazták, és 13 mm-re korlátozták. Közvetlenül az eszköz tényleges tesztelése előtt a kapcsolót tíz ilyen terhelési ciklus végrehajtásával állítják be, mielőtt a visszaállító erőt egy 50 N-os mérőcella segítségével rögzítik. Tovább 1g a kapcsoló kísérleti úton kapott visszaállító erőgörbéjét mutatja.
Ezután a kapcsoló átlagos visszaállító erejét a működési tartományon belül integrálva a potenciális energia függvény (1h). A potenciális energia függvényben a minimumok a két kapcsolási állapothoz (S0 és S1) kapcsolódó statikus egyensúlyokat jelentik. Ennél a konfigurációnál az S0 és az S1 u = 48 mm, illetve 58.5 mm beépítési magasságnál fordul elő. A potenciális energiafüggvény egyértelműen aszimmetrikus, különböző energiagátokkal ∆E0 az S0 pontban és ∆E1 az S1 pontban.
A kapcsolók egy elektrodinamikus rázóra kerültek, amely az alap axiális irányú szabályozott gerjesztését biztosítja. A gerjesztés hatására a kapcsoló felső felülete függőleges irányban oszcillál. A kapcsoló felső felületének az alaphoz viszonyított helyzetét lézeres vibrométerrel mértük (2a).
2. kép
Azt találtuk, hogy a kapcsoló helyi rezonanciafrekvenciája két állapotában 11.8 Hz S0 és 9.7 Hz S1 esetén. Átmenetet kezdeményezni két állapot között, vagyis kilépést potenciális kút*, az azonosított frekvenciák körül nagyon lassú (0.05 Hz/s) kétirányú lineáris frekvencia söprést végeztünk 13 ms-2 alapgyorsulással. Pontosabban, a KIMS kezdetben S0 pozícióban volt, és a növekvő frekvencia sweep 6 Hz-en indult.
Potenciális kút* - az a tartomány, ahol a részecske potenciális energiájának lokális minimuma van.
Amint látható 2bAmikor a hajtási frekvencia eléri a körülbelül 7.8 Hz-et, a kapcsoló jól elhagyja az S0 potenciált, és jól belép az S1 potenciálba. A kapcsoló továbbra is S1-ben maradt, ahogy a frekvencia tovább nőtt.
Ezután a kapcsolót ismét S0 állásba állítottuk, de ezúttal 16 Hz-en kezdeményezték a downsweep-et. Ebben az esetben, amikor a frekvencia megközelíti a 8.8 Hz-et, a kapcsoló elhagyja az S0-t és belép az S1 potenciálkútba és ott marad.
Az S0 állapot aktiválási sávja 1 Hz [7.8, 8.8] 13 ms-2 gyorsulással, és S1 - 6...7.7 Hz (2s). Ebből következik, hogy a KIMS szelektíven válthat két állapot között azonos nagyságú, de eltérő frekvenciájú bázis harmonikus gerjesztésével.
A KIMS kapcsolási sávszélessége összetetten függ a potenciális energia függvény alakjától, a csillapítási jellemzőktől és a harmonikus gerjesztési paraméterektől (frekvencia és nagyság). Ezenkívül a kapcsoló lágyuló nemlineáris viselkedése miatt az aktiválási sávszélesség nem feltétlenül tartalmazza a lineáris rezonanciafrekvenciát. Ezért fontos, hogy a kapcsoló aktiválási térképet minden KIMS-hez külön-külön hozzák létre. Ez a térkép a gerjesztés frekvenciájának és nagyságának jellemzésére szolgál, amely az egyik állapotból a másikba való átváltást eredményezi, és fordítva.
Kísérletileg létrehozható egy ilyen térkép különböző gerjesztési szinteken végzett frekvencia söpréssel, de ez a folyamat nagyon munkaigényes. Ezért a tudósok ebben a szakaszban úgy döntöttek, hogy áttérnek a kapcsoló modellezésére, felhasználva a kísérletek során meghatározott potenciális energiafüggvényt (1h).
A modell feltételezi, hogy a kapcsoló dinamikus viselkedése jól közelíthető egy aszimmetrikus bistabil Helmholtz–Duffing oszcillátor dinamikájával, amelynek mozgásegyenlete a következőképpen fejezhető ki:
ahol u — az akril sokszög mozgatható felületének eltérése a rögzítetthez képest; m — a kapcsoló effektív tömege; c — kísérletileg meghatározott viszkózus csillapítási együttható; ais – bistabil helyreállító erőegyütthatók; ab és Ω az alapnagyság és a gyorsulási frekvencia.
A szimuláció fő feladata, hogy ezzel a képlettel létrehozzuk ab és Ω olyan kombinációit, amelyek lehetővé teszik két különböző állapot közötti váltást.
A tudósok megjegyzik, hogy azok a kritikus gerjesztési frekvenciák, amelyeken a bistabil oszcillátor egyik állapotból a másikba vált át, két frekvenciával közelíthetők elágazások*: periódus kettős bifurkáció (PD) és ciklikus fold bifurkáció (CF).
Elágazás* — a rendszer minőségi megváltoztatása azon paraméterek megváltoztatásával, amelyektől függ.
A közelítés segítségével a KIMS frekvencia-válasz görbéit két állapotában szerkesztettük meg. A diagramon 2е mutatja a kapcsoló frekvencia-válasz görbéit S0 állásban két különböző alapgyorsítási szint esetén.
5 ms-2 alapgyorsulásnál az amplitúdó-frekvencia görbe enyhe lágyulást mutat, de instabilitást vagy bifurkációt nem. Így a kapcsoló S0 állapotban marad, függetlenül attól, hogy a frekvencia hogyan változik.
Ha azonban az alapgyorsulást 13 ms-2-re növeljük, a stabilitás csökken a PD bifurkáció miatt, ahogy a vezetési frekvencia csökken.
Ugyanezt a sémát használva megkaptuk az S1 kapcsoló frekvencia-válasz görbéit (2f). 5 ms-2 gyorsulásnál a megfigyelt minta ugyanaz marad. Ahogy azonban az alapgyorsulás 10 ms-ra nő-2 PD és CF bifurkációk jelennek meg. A váltás tetszőleges frekvenciájú gerjesztése e két bifurkáció között S1-ről S0-ra való váltást eredményez.
A szimulációs adatok arra utalnak, hogy az aktiválási térképen nagy régiók találhatók, amelyekben minden állapot egyedi módon aktiválható. Ez lehetővé teszi a két állapot közötti szelektív váltást a trigger frekvenciájától és nagyságától függően. Az is látható, hogy van olyan terület, ahol mindkét állapot egyszerre válthat.
3. kép
Több KIMS kombinációjával több bitből álló mechanikus memória hozható létre. A kapcsológeometriát úgy változtatva, hogy bármely két kapcsoló potenciális energiafüggvényének alakja kellően eltérő legyen, a kapcsolók aktiválási sávszélessége úgy tervezhető meg, hogy ne fedjék egymást. Ennek köszönhetően minden kapcsoló egyedi gerjesztési paraméterekkel rendelkezik.
Ennek a technikának a bemutatására egy 2 bites kártyát hoztak létre két különböző potenciáljellemzővel rendelkező kapcsolón (3a): 1. bit - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm és n = 12; 2. bit - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm és n = 12.
Mivel minden bitnek két állapota van, összesen négy különböző S00, S01, S10 és S11 állapot érhető el (3b). Az S utáni számok a bal (1. bit) és a jobb (2. bit) kapcsolók értékét jelzik.
A 2 bites kapcsoló viselkedését az alábbi videó mutatja be:
Erre az eszközre alapozva létrehozhatunk egy kapcsolócsoportot is, amely többbites mechanikus memóriakártyák alapja lehet.
A tanulmány árnyalatainak részletesebb megismeréséhez javaslom, hogy tekintse meg и neki.
Epilógus
Nem valószínű, hogy az origami megalkotói közül bármelyik is el tudná képzelni, hogyan használják fel alkotásukat a modern világban. Ez egyrészt a közönséges papírfigurákban rejtett nagyszámú összetett elemet jelez; másrészt, hogy a modern tudomány képes ezeket az elemeket felhasználni valami teljesen új létrehozására.
Ebben a munkában a tudósok Kroesling origami geometriáját felhasználva létrehozhattak egy egyszerű mechanikus kapcsolót, amely a bemeneti paraméterektől függően két különböző állapotban lehet. Ez összehasonlítható a 0-val és az 1-gyel, amelyek az információ klasszikus mértékegységei.
Az így kapott eszközöket mechanikus memóriarendszerré egyesítették, amely 2 bit tárolására képes. Tudva, hogy egy betű 8 bitet (1 bájtot) foglal el, felmerül a kérdés: hány hasonló origamira lesz szükség például a „Háború és béke” írásához.
A tudósok tisztában vannak azzal a szkepticizmussal, amelyet fejlődésük okozhat. Ez a kutatás azonban szerintük feltárás a mechanikai memória területén. Ráadásul a kísérletekben használt origamik ne legyenek nagyok, méreteik jelentősen csökkenthetők anélkül, hogy tulajdonságaik sérülnének.
Bárhogy is legyen, ez a munka nem nevezhető hétköznapinak, banálisnak vagy unalmasnak. A tudományt nem mindig használják valami konkrét kifejlesztésére, és a tudósok kezdetben nem mindig tudják, hogy pontosan mit is hoznak létre. Végül is a legtöbb találmány és felfedezés egy egyszerű kérdés eredménye volt – mi lenne, ha?
Köszönöm, hogy megnézted, maradj kíváncsi és szép hétvégét mindenkinek! 🙂
Némi reklám
Köszönjük, hogy velünk tartott. Tetszenek cikkeink? További érdekes tartalmakat szeretne látni? Támogass minket rendeléssel vagy ajánlj ismerőseidnek, , a belépő szintű szerverek egyedülálló analógja, amelyet mi találtunk ki Önnek: (RAID1 és RAID10, akár 24 maggal és akár 40 GB DDR4-gyel is elérhető).
A Dell R730xd kétszer olcsóbb az amszterdami Equinix Tier IV adatközpontban? Csak itt Hollandiában! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollártól! Olvasni valamiről
Forrás: will.com