"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - apa kesamaan yang dimiliki oleh perwakilan budaya populer ini? Semuanya, sampai taraf tertentu, menampilkan seni melipat kertas Jepang kuno - origami. Dalam film, permainan, dan kehidupan nyata, origami sering digunakan sebagai simbol perasaan tertentu, kenangan, atau pesan unik. Ini lebih merupakan komponen emosional origami, tetapi dari sudut pandang ilmiah, banyak aspek menarik dari berbagai bidang yang tersembunyi dalam gambar kertas: geometri, matematika, dan bahkan mekanika. Hari ini kita akan berkenalan dengan penelitian di mana para ilmuwan dari Institut Fisika Amerika menciptakan perangkat penyimpanan data dengan melipat/membuka gambar origami. Bagaimana sebenarnya cara kerja kartu memori kertas, prinsip apa yang diterapkan di dalamnya, dan berapa banyak data yang dapat disimpan oleh perangkat tersebut? Kita akan menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergi.
Dasar penelitian
Sulit untuk mengatakan kapan tepatnya origami berasal. Namun kita tahu pasti bahwa itu tidak lebih awal dari tahun 105 Masehi. Pada tahun inilah Cai Lun menemukan kertas di Tiongkok. Tentu saja, sebelum itu kertas sudah ada, tetapi tidak terbuat dari kayu, melainkan dari bambu atau sutra. Pilihan pertama tidak mudah, dan pilihan kedua sangat mahal. Cai Lun ditugaskan untuk membuat resep kertas baru yang ringan, murah, dan mudah dibuat. Tugasnya tidak mudah, tetapi Cai Lun beralih ke sumber inspirasi paling populer - alam. Lama ia mengamati tawon yang rumahnya terbuat dari kayu dan serat tumbuhan. Tsai Lun melakukan banyak eksperimen di mana ia menggunakan berbagai bahan untuk kertas masa depan (kulit pohon, abu, dan bahkan jaring ikan) yang dicampur dengan air. Massa yang dihasilkan ditata dalam bentuk khusus dan dikeringkan di bawah sinar matahari. Hasil karya kolosal ini adalah sebuah benda yang membosankan bagi manusia modern - kertas.
Pada tahun 2001, sebuah taman yang dinamai Cai Lun dibuka di kota Leiyang (Cina).
Penyebaran kertas ke negara lain tidak serta merta terjadi, baru pada awal abad ke-XNUMX resepnya sampai ke Korea dan Jepang, dan kertas baru mencapai Eropa pada abad XNUMX-XNUMX.
Penggunaan kertas yang paling jelas tentu saja adalah manuskrip dan percetakan. Namun, orang Jepang menemukan kegunaan yang lebih elegan - origami, yaitu. melipat gambar kertas.
Perjalanan singkat ke dunia origami dan teknik.
Ada banyak sekali pilihan origami, serta teknik pembuatannya: origami sederhana, kusudama (modular), lipat basah, origami pola, kirigami, dll. ()
Dari sudut pandang ilmiah, origami adalah metamaterial mekanis yang sifat-sifatnya ditentukan oleh geometrinya, dan bukan oleh sifat bahan pembuatnya. Telah dibuktikan selama beberapa waktu bahwa struktur XNUMXD serbaguna yang dapat diterapkan dengan properti unik dapat dibuat menggunakan pola origami yang berulang.
Gambar #1
Pada gambar 1b menunjukkan contoh struktur seperti itu - bellow yang dapat dipasang, dibuat dari selembar kertas sesuai dengan diagram di atas 1a. Dari pilihan origami yang tersedia, para ilmuwan telah mengidentifikasi varian di mana mosaik panel segitiga identik yang disusun dalam simetri siklik, yang dikenal sebagai origami Kroesling, diterapkan.
Penting untuk dicatat bahwa struktur berbasis origami hadir dalam dua jenis: kaku dan tidak kaku.
Origami kaku adalah struktur tiga dimensi di mana hanya lipatan antar panel yang mengalami deformasi selama pembukaan.
Contoh penting dari origami kaku adalah Miura-ori, yang digunakan untuk membuat metamaterial mekanis dengan rasio Poisson negatif. Bahan tersebut memiliki beragam kegunaan: eksplorasi ruang angkasa, elektronik yang dapat dideformasi, otot buatan dan, tentu saja, metamaterial mekanis yang dapat diprogram ulang.
Origami non-kaku adalah struktur tiga dimensi yang menunjukkan deformasi elastis non-kaku pada panel di antara lipatan selama pembukaan.
Contoh varian origami tersebut adalah pola Kroesling yang telah disebutkan sebelumnya, yang telah berhasil digunakan untuk membuat struktur dengan multistabilitas, kekakuan, deformasi, pelunakan/pengerasan, dan/atau kekakuan mendekati nol yang dapat disetel.
Hasil penelitian
Terinspirasi oleh seni kuno, para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan origami Kroesling untuk mengembangkan sekelompok saklar biner mekanis yang dapat dipaksa untuk beralih antara dua keadaan statis yang berbeda menggunakan input terkontrol tunggal dalam bentuk eksitasi harmonis yang diterapkan pada dasar saklar. .
Seperti yang terlihat dari 1b, bellow dipasang pada salah satu ujungnya dan dikenai beban eksternal dalam arah x pada ujung bebas lainnya. Oleh karena itu, ia mengalami defleksi dan rotasi secara simultan sepanjang dan mengelilingi sumbu x. Energi yang terakumulasi selama deformasi bellow dilepaskan ketika beban eksternal dihilangkan, menyebabkan bellow kembali ke bentuk aslinya.
Sederhananya, kita melihat pegas torsi yang daya pemulihnya bergantung pada bentuk fungsi energi potensial bellow. Hal ini bergantung pada parameter geometri (a0, b0, Ξ³0) dari segitiga komposit yang digunakan untuk membuat bellow, serta jumlah total (n) dari segitiga-segitiga tersebut (1a).
Untuk kombinasi parameter desain geometris tertentu, fungsi energi potensial bellow memiliki minimum tunggal yang sesuai dengan satu titik kesetimbangan stabil. Untuk kombinasi lainnya, fungsi energi potensial memiliki dua minimum yang berhubungan dengan dua konfigurasi bellow statis yang stabil, masing-masing berhubungan dengan ketinggian kesetimbangan yang berbeda atau, alternatifnya, defleksi pegas (1s). Mata air jenis ini sering disebut dengan bistable (video dibawah).
Pada gambar 1d menunjukkan parameter geometri yang mengarah pada pembentukan pegas bistabil dan parameter yang mengarah pada pembentukan pegas monostabil untuk n=12.
Pegas bistable dapat berhenti pada salah satu posisi keseimbangannya tanpa adanya beban eksternal dan dapat diaktifkan untuk beralih di antara keduanya ketika jumlah energi yang tepat tersedia. Sifat inilah yang menjadi dasar penelitian ini, yang mengkaji pembuatan sakelar mekanis Kroesling (KIMS dari Sakelar mekanis yang terinspirasi Kresling) dengan dua keadaan biner.
Secara khusus, seperti yang ditunjukkan pada 1c, saklar dapat diaktifkan untuk transisi antara dua keadaannya dengan menyuplai energi yang cukup untuk mengatasi penghalang potensial (βE). Energi dapat disuplai dalam bentuk aktuasi kuasi-statis lambat atau dengan menerapkan sinyal harmonik ke dasar sakelar dengan frekuensi eksitasi mendekati frekuensi resonansi lokal sakelar dalam berbagai keadaan kesetimbangannya. Dalam penelitian ini, diputuskan untuk menggunakan opsi kedua, karena operasi resonansi harmonik lebih unggul daripada operasi kuasi-statis dalam beberapa hal.
Pertama, aktuasi resonansi memerlukan lebih sedikit tenaga untuk berpindah dan umumnya lebih cepat. Kedua, peralihan resonansi tidak peka terhadap gangguan eksternal yang tidak beresonansi dengan peralihan di keadaan lokalnya. Ketiga, karena fungsi potensial saklar biasanya asimetris terhadap titik kesetimbangan tidak stabil U0, karakteristik eksitasi harmonik yang diperlukan untuk peralihan dari S0 ke S1 biasanya berbeda dari yang diperlukan untuk peralihan dari S1 ke S0, sehingga mengakibatkan kemungkinan peralihan biner selektif eksitasi.
Konfigurasi KIMS ini ideal untuk membuat papan memori mekanis multi-bit menggunakan beberapa sakelar biner dengan karakteristik berbeda yang ditempatkan pada platform penggerak harmonik tunggal. Penciptaan perangkat semacam itu disebabkan oleh sensitivitas bentuk fungsi energi potensial sakelar terhadap perubahan parameter geometris panel utama (1).
Akibatnya, beberapa KIMS dengan karakteristik desain berbeda dapat ditempatkan pada platform yang sama dan bersemangat untuk bertransisi dari satu keadaan ke keadaan lain, secara individu atau dalam kombinasi menggunakan rangkaian parameter eksitasi yang berbeda.
Pada tahap uji praktik, dibuat saklar dari kertas dengan massa jenis 180 g/m2 dengan parameter geometri: Ξ³0 = 26.5Β°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm dan n = 12. Ini adalah parameternya, dilihat dari perhitungan (1d), dan menyebabkan pegas yang dihasilkan menjadi bistable. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan model rangka aksial (struktur batang) yang disederhanakan dari bellow.
Dengan menggunakan laser, garis berlubang dibuat pada selembar kertas (1a), yang merupakan tempat pelipatan. Lipatan kemudian dibuat sepanjang tepi b0 (melengkung ke luar) dan Ξ³0 (melengkung ke dalam), dan tepi ujung-ujungnya disambung rapat. Permukaan atas dan bawah sakelar telah diperkuat dengan poligon akrilik.
Kurva gaya pemulih sakelar diperoleh secara eksperimental melalui uji kompresi dan tarik yang dilakukan pada mesin uji universal dengan pengaturan khusus yang memungkinkan alas diputar selama pengujian (1f).
Ujung-ujung poligon saklar akrilik dipasang secara kaku, dan perpindahan terkontrol diterapkan pada poligon atas dengan kecepatan target 0.1 mm/s. Perpindahan tarik dan tekan diterapkan secara siklis dan dibatasi hingga 13 mm. Tepat sebelum pengujian perangkat yang sebenarnya, sakelar disetel dengan melakukan sepuluh siklus beban sebelum gaya pemulih dicatat menggunakan sel beban 50N. Pada 1g menunjukkan kurva gaya pemulih saklar yang diperoleh secara eksperimental.
Selanjutnya, dengan mengintegrasikan gaya pemulih rata-rata saklar pada rentang operasi, fungsi energi potensial (1h). Nilai minimum dalam fungsi energi potensial mewakili kesetimbangan statis yang terkait dengan dua keadaan saklar (S0 dan S1). Untuk konfigurasi khusus ini, S0 dan S1 terjadi pada ketinggian penerapan u = 48 mm dan 58.5 mm, masing-masing. Fungsi energi potensial jelas asimetris dengan hambatan energi yang berbeda βE0 di titik S0 dan βE1 di titik S1.
Sakelar ditempatkan pada pengocok elektrodinamik, yang memberikan eksitasi terkontrol pada basis dalam arah aksial. Menanggapi eksitasi, permukaan atas saklar berosilasi dalam arah vertikal. Posisi permukaan atas sakelar relatif terhadap alas diukur menggunakan vibrometer laser (2a).
Gambar #2
Ditemukan bahwa frekuensi resonansi lokal saklar untuk kedua keadaannya adalah 11.8 Hz untuk S0 dan 9.7 Hz untuk S1. Untuk memulai transisi antara dua keadaan, yaitu jalan keluar dari potensi baik*, sapuan frekuensi linier dua arah yang sangat lambat (0.05 Hz/s) dilakukan di sekitar frekuensi yang diidentifikasi dengan percepatan dasar 13 ms-2. Secara khusus, KIMS awalnya diposisikan pada S0 dan peningkatan frekuensi dimulai pada 6 Hz.
Potensi baik* - wilayah di mana terdapat energi potensial minimum lokal suatu partikel.
Seperti yang terlihat di 2bKetika frekuensi penggerak mencapai kira-kira 7.8 Hz, saklar meninggalkan sumur potensial S0 dan memasuki sumur potensial S1. Peralihan terus berada di S1 ββseiring dengan meningkatnya frekuensi.
Sakelar kemudian disetel ke S0 lagi, namun kali ini sapuan ke bawah dimulai pada 16 Hz. Dalam hal ini, ketika frekuensi mendekati 8.8 Hz, saklar meninggalkan S0 dan masuk dan tetap berada di sumur potensial S1.
Keadaan S0 memiliki pita aktivasi 1 Hz [7.8, 8.8] dengan percepatan 13 ms-2, dan S1 - 6...7.7 Hz (2s). Oleh karena itu KIMS dapat secara selektif beralih antara dua keadaan melalui eksitasi harmonik dari basis dengan besaran yang sama tetapi frekuensi yang berbeda.
Bandwidth switching KIMS memiliki ketergantungan yang kompleks pada bentuk fungsi energi potensial, karakteristik redaman, dan parameter eksitasi harmonik (frekuensi dan besaran). Selain itu, karena perilaku sakelar yang tidak linier, bandwidth aktivasi tidak harus mencakup frekuensi resonansi linier. Oleh karena itu, penting agar peta aktivasi sakelar dibuat untuk setiap KIMS secara individual. Peta ini digunakan untuk mengkarakterisasi frekuensi dan besarnya eksitasi yang mengakibatkan peralihan dari satu keadaan ke keadaan lain dan sebaliknya.
Peta seperti itu dapat dibuat secara eksperimental dengan penyapuan frekuensi pada tingkat eksitasi yang berbeda, namun proses ini sangat memakan waktu. Oleh karena itu, para ilmuwan memutuskan pada tahap ini untuk melanjutkan ke pemodelan saklar, menggunakan fungsi energi potensial yang ditentukan selama percobaan (1h).
Model ini mengasumsikan bahwa perilaku dinamis saklar dapat didekati dengan baik dengan dinamika osilator Helmholtz β Duffing bistabil asimetris, persamaan geraknya dapat dinyatakan sebagai berikut:
dimana u β penyimpangan permukaan bergerak dari poligon akrilik relatif terhadap permukaan tetap; m β massa efektif saklar; c β koefisien redaman kental ditentukan secara eksperimental; aisβkoefisien gaya pemulih yang stabil; ab dan Ξ© adalah besaran dasar dan frekuensi percepatan.
Tugas utama simulasi adalah menggunakan rumus ini untuk menetapkan kombinasi ab dan Ξ© yang memungkinkan peralihan antara dua keadaan berbeda.
Para ilmuwan mencatat bahwa frekuensi eksitasi kritis di mana transisi osilator bistable dari satu keadaan ke keadaan lain dapat diperkirakan dengan dua frekuensi. percabangan*: bifurkasi penggandaan periode (PD) dan bifurkasi lipatan siklik (CF).
Pencabangan dua* β perubahan kualitatif sistem dengan mengubah parameter yang bergantung padanya.
Dengan menggunakan perkiraan tersebut, kurva respons frekuensi KIMS dibangun di dua keadaannya. Di grafik 2 menunjukkan kurva respons frekuensi sakelar pada S0 untuk dua tingkat percepatan dasar yang berbeda.
Pada percepatan dasar 5 ms-2, kurva frekuensi amplitudo menunjukkan sedikit pelunakan, tetapi tidak ada ketidakstabilan atau percabangan. Dengan demikian, saklar tetap dalam keadaan S0 tidak peduli bagaimana perubahan frekuensi.
Namun ketika percepatan dasar ditingkatkan menjadi 13 ms-2, stabilitas menurun akibat bifurkasi PD seiring dengan menurunnya frekuensi penggerak.
Dengan menggunakan skema yang sama, kurva respons frekuensi sakelar di S1 ββdiperoleh (2f). Pada percepatan 5 ms-2, pola yang diamati tetap sama. Namun, seiring bertambahnya akselerasi dasar hingga 10 ms-2 Bifurkasi PD dan CF muncul. Peralihan yang menggembirakan pada frekuensi apa pun di antara dua bifurkasi ini menghasilkan peralihan dari S1 ke S0.
Data simulasi menunjukkan bahwa terdapat wilayah besar di peta aktivasi di mana setiap negara bagian dapat diaktifkan dengan cara yang unik. Hal ini memungkinkan Anda untuk secara selektif beralih di antara dua keadaan tergantung pada frekuensi dan besarnya pemicu. Terlihat juga bahwa terdapat area di mana kedua negara bagian dapat beralih secara bersamaan.
Gambar #3
Kombinasi beberapa KIMS dapat digunakan untuk membuat memori mekanis beberapa bit. Dengan memvariasikan geometri saklar sehingga bentuk fungsi energi potensial dari dua saklar cukup berbeda, maka dimungkinkan untuk merancang bandwidth aktivasi saklar sehingga tidak tumpang tindih. Oleh karena itu, setiap saklar akan memiliki parameter eksitasi yang unik.
Untuk mendemonstrasikan teknik ini, papan 2-bit dibuat berdasarkan dua sakelar dengan karakteristik potensial berbeda (3a): bit 1 - Ξ³0 = 28Β°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm dan n = 12; bit 2 - Ξ³0 = 27Β°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm dan n = 12.
Karena setiap bit mempunyai dua keadaan, total empat keadaan berbeda S00, S01, S10 dan S11 dapat dicapai (3b). Angka setelah S menunjukkan nilai saklar kiri (bit 1) dan kanan (bit 2).
Perilaku saklar 2-bit ditunjukkan pada video di bawah ini:
Berdasarkan perangkat ini, Anda juga dapat membuat cluster switch, yang dapat menjadi dasar papan memori mekanis multi-bit.
Untuk kenalan yang lebih detail dengan nuansa penelitian, saya sarankan untuk melihatnya ΠΈ untuk dia.
Bagian terakhir dr suatu karya sastra
Tidak mungkin ada pencipta origami yang bisa membayangkan bagaimana ciptaan mereka akan digunakan di dunia modern. Di satu sisi, ini menunjukkan sejumlah besar elemen kompleks yang tersembunyi dalam gambar kertas biasa; di sisi lain, ilmu pengetahuan modern mampu menggunakan unsur-unsur tersebut untuk menciptakan sesuatu yang benar-benar baru.
Dalam karya ini, para ilmuwan dapat menggunakan geometri origami Kroesling untuk membuat saklar mekanis sederhana yang dapat berada dalam dua keadaan berbeda, bergantung pada parameter masukan. Hal ini dapat dibandingkan dengan 0 dan 1, yang merupakan unit informasi klasik.
Perangkat yang dihasilkan digabungkan menjadi sistem memori mekanis yang mampu menyimpan 2 bit. Mengetahui bahwa satu huruf membutuhkan 8 bit (1 byte), timbul pertanyaan: berapa banyak origami serupa yang diperlukan untuk menulis βPerang dan Damaiβ, misalnya.
Para ilmuwan sangat menyadari skeptisisme yang mungkin ditimbulkan oleh perkembangan mereka. Namun menurut mereka, penelitian ini merupakan eksplorasi di bidang memori mekanis. Selain itu, origami yang digunakan dalam percobaan tidak boleh berukuran besar, dimensinya dapat dikurangi secara signifikan tanpa mengurangi sifat-sifatnya.
Meski begitu, pekerjaan ini tidak bisa disebut biasa-biasa saja, basi atau membosankan. Sains tidak selalu digunakan untuk mengembangkan sesuatu yang spesifik, dan para ilmuwan pada awalnya tidak selalu mengetahui apa sebenarnya yang mereka ciptakan. Bagaimanapun, sebagian besar penemuan dan penemuan adalah hasil dari pertanyaan sederhana - bagaimana jika?
Terima kasih telah menonton, tetap penasaran dan semoga akhir pekanmu menyenangkan semuanya! π
Beberapa iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, , analog unik dari server level awal, yang kami temukan untuk Anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai $99! Membaca tentang
Sumber: www.habr.com