"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - hvað eiga þessir fulltrúar dægurmenningar sameiginlegt? Allir, að einhverju leyti, eru með fornu japönsku listinni að brjóta saman pappír - origami. Í kvikmyndum, leikjum og í raunveruleikanum er origami oft notað sem tákn um ákveðnar tilfinningar, sumar minningar eða einstök skilaboð. Þetta er meira tilfinningalegur þáttur í origami, en frá vísindalegu sjónarhorni leynast margir áhugaverðir þættir frá ýmsum sviðum í pappírsfígúrum: rúmfræði, stærðfræði og jafnvel vélfræði. Í dag munum við kynnast rannsókn þar sem vísindamenn frá American Institute of Physics bjuggu til gagnageymslutæki með því að brjóta saman/brotna origami-fígúrur. Hvernig nákvæmlega virkar pappírsminniskort, hvaða meginreglur eru innleiddar í því og hversu mikið af gögnum getur slíkt tæki geymt? Við munum finna svör við þessum spurningum í skýrslu vísindamanna. Farðu.
Rannsóknargrundvöllur
Það er erfitt að segja hvenær nákvæmlega origami er upprunnið. En við vitum fyrir víst að ekki fyrr en 105 e.Kr. Það var á þessu ári sem Cai Lun fann upp pappír í Kína. Auðvitað, fyrir þessa stundu, var pappír þegar til, en hann var ekki gerður úr viði, heldur úr bambus eða silki. Fyrsti kosturinn var ekki auðveldur og sá síðari var mjög dýr. Cai Lun var falið að koma með nýja uppskrift að pappír sem væri léttur, ódýr og auðveldur í gerð. Verkefnið er ekki auðvelt, en Cai Lun sneri sér að vinsælustu innblæstrinum - náttúrunni. Lengi vel fylgdist hann með geitungum, en heimili þeirra voru úr viði og plöntutrefjum. Tsai Lun gerði margar tilraunir þar sem hann notaði ýmis efni fyrir framtíðarpappír (trébörkur, aska og jafnvel fiskinet) blandað með vatni. Massinn sem myndast var settur út í sérstöku formi og þurrkaður í sólinni. Afrakstur þessa risastóra verks var hlutur sem er prosaic fyrir nútíma mann - pappír.
Árið 2001 var garður nefndur eftir Cai Lun opnaður í borginni Leiyang (Kína).
Útbreiðsla pappírs til annarra landa átti sér ekki stað strax, aðeins í byrjun XNUMX. aldar barst uppskriftin til Kóreu og Japan og pappír barst til Evrópu aðeins á XNUMX.-XNUMX.
Augljósasta notkun pappírs er að sjálfsögðu handrit og prentun. Japanir fundu þó glæsilegri not fyrir það - origami, þ.e. brjóta saman pappírsfígúrur.
Stutt skoðunarferð um heim origami og verkfræði.
Það er mikið úrval af origami valkostum, sem og tækni til að búa þá til: einfalt origami, kusudama (eininga), blautbrot, mynstur origami, kirigami o.s.frv. ()
Frá vísindalegu sjónarhorni er origami vélrænt metaefni þar sem eiginleikar ráðast af rúmfræði þess en ekki eiginleikum efnisins sem það er gert úr. Það hefur verið sýnt fram á í nokkuð langan tíma að hægt er að búa til fjölhæf XNUMXD útfæranleg mannvirki með einstaka eiginleika með því að nota endurtekið origami mynstur.
Mynd #1
Á myndinni 1b sýnir dæmi um slíka uppbyggingu - belg sem hægt er að nota, smíðaður úr einni pappírsörk samkvæmt skýringarmyndinni á 1. Frá tiltækum origami valkostum hafa vísindamenn greint afbrigði þar sem mósaík af eins þríhyrningslaga spjöldum raðað í hringlaga samhverfu, þekkt sem Kroesling origami, er útfært.
Það er mikilvægt að hafa í huga að origami-undirstaða mannvirki eru í tveimur gerðum: stíf og óstíf.
Stíf origami er þrívídd uppbygging þar sem aðeins fellingarnar á milli spjaldanna verða fyrir aflögun við að brjótast út.
Áberandi dæmi um stíft origami er Miura-ori, notað til að búa til vélræn metaefni með neikvætt Poisson hlutfall. Slíkt efni hefur margs konar notkun: geimkönnun, afmyndanleg rafeindatækni, gervi vöðvar og auðvitað endurforritanleg vélræn metaefni.
Óstíf origami eru þrívíddarbyggingar sem sýna óstífa teygjanlega aflögun á spjöldum á milli fellinga við uppbrot.
Dæmi um slíkt origami afbrigði er áður nefnt Kroesling mynstur, sem hefur verið notað með góðum árangri til að búa til mannvirki með stillanlegum fjölstöðugleika, stífleika, aflögun, mýkingu/herðingu og/eða stífleika nálægt núlli.
Niðurstöður rannsókna
Innblásnir af fornri list ákváðu vísindamennirnir að nota Origami Kroesling til að þróa þyrping af vélrænum tvíundirrofum sem hægt er að neyða til að skipta á milli tveggja mismunandi kyrrstöðuástanda með því að nota eitt stýrt inntak í formi harmonisks örvunar sem beitt er á botn rofans. .
Eins og sést frá 1b, belgurinn er fastur í annan endann og verður fyrir utanaðkomandi álagi í x-stefnu í hinum frjálsa endanum. Vegna þessa verður það samtímis sveigju og snúningur meðfram og í kringum x-ásinn. Orkan sem safnast upp við aflögun belgsins losnar þegar ytra álagið er fjarlægt, sem veldur því að belgurinn fer aftur í upprunalega lögun.
Einfaldlega sagt, við erum að horfa á snúningsfjöður þar sem endurheimtarkraftur fer eftir lögun hugsanlegrar orkuvirkni belgsins. Þetta veltur aftur á rúmfræðilegum breytum (a0, b0, γ0) samsetta þríhyrningsins sem notaður er til að smíða belginn, sem og heildarfjölda (n) þessara þríhyrninga (1).
Fyrir ákveðna samsetningu af rúmfræðilegum hönnunarbreytum hefur belgmöguleikaorkufallið eitt lágmark sem samsvarar einum stöðugum jafnvægispunkti. Fyrir aðrar samsetningar hefur hugsanlega orkufallið tvö lágmörk sem samsvara tveimur stöðugum kyrrstæðum belgstillingum, sem hver um sig tengist annarri jafnvægishæð eða, að öðrum kosti, gormbeygju (1). Þessi tegund af gormum er oft kölluð bistabil (myndband hér að neðan).
Á myndinni 1d sýnir rúmfræðilegar færibreytur sem leiða til myndunar tvístöðugra gorma og færibreytur sem leiða til myndunar einstöðugra gorma fyrir n=12.
Tvístöðugur gormur getur stöðvast í einni af jafnvægisstöðum sínum án utanaðkomandi álags og hægt er að virkja hann til að skipta á milli þeirra þegar rétt magn af orku er til staðar. Það er þessi eiginleiki sem er grundvöllur þessarar rannsóknar, sem skoðar gerð Kroesling vélrænna rofa (KIMS frá kl. Kresling-innblásnir vélrænir rofar) með tveimur tvíundarástæðum.
Einkum eins og sýnt er í 1c, er hægt að virkja rofann til að skipta á milli tveggja staða hans með því að veita næga orku til að yfirstíga hugsanlega hindrun (∆E). Hægt er að útvega orkuna í formi hægfara hálftruflanavirkjunar eða með því að beita harmónísku merki á botn rofans með örvunartíðni nálægt staðbundinni ómunatíðni rofans í ýmsum jafnvægisstöðu hans. Í þessari rannsókn var ákveðið að nota seinni valmöguleikann þar sem harmonic resonant operation er að sumu leyti betri en hálf-statísk aðgerð.
Í fyrsta lagi þarf minni kraft til að skipta um ómunavirkjun og er almennt hraðari. Í öðru lagi er endurómrofi ónæmur fyrir utanaðkomandi truflunum sem hljóma ekki með rofanum í staðbundnum ríkjum þess. Í þriðja lagi, þar sem hugsanleg virkni rofans er venjulega ósamhverf með tilliti til óstöðuga jafnvægispunktsins U0, eru harmonic örvunareiginleikar sem þarf til að skipta úr S0 í S1 venjulega frábrugðnir þeim sem þarf til að skipta úr S1 í S0, sem leiðir til möguleika á örvunarsértæk tvíundarskipti.
Þessi KIMS uppsetning er tilvalin til að búa til multi-bita vélrænt minniskort með því að nota marga tvíundirrofa með mismunandi eiginleika sem eru settir á einn harmonic-drifinn vettvang. Sköpun slíks tækis er vegna næmni lögunar hugsanlegrar orkuvirkni rofans fyrir breytingum á rúmfræðilegum breytum aðalspjaldanna (1).
Þar af leiðandi er hægt að setja marga KIMS með mismunandi hönnunareiginleika á sama vettvang og spenna til að fara úr einu ástandi í annað, hvert fyrir sig eða í samsetningu með því að nota mismunandi sett af örvunarbreytum.
Á stigi verklegrar prófunar var rofi búinn til úr pappír með þéttleika 180 g/m2 með rúmfræðilegum breytum: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm og n = 12. Þetta eru færibreyturnar, miðað við útreikninga (1d), og leiða til þess að gormurinn sem myndast verður tvístöðugur. Útreikningarnir voru gerðir með því að nota einfaldað líkan af axial truss (stangarbyggingu) belgsins.
Með því að nota leysir voru götóttar línur gerðar á blað (1), sem eru samanbrotsstaðir. Brúnir voru síðan gerðar meðfram brúnum b0 (boginn út) og γ0 (boginn inn á við) og brúnir fjærenda voru þétt saman. Efri og neðri yfirborð rofans hafa verið styrkt með akrýl marghyrningum.
Endurreisnarkraftsferill rofans var fengin með tilraunum með þjöppunar- og togprófum sem gerðar voru á alhliða prófunarvél með sérstakri uppsetningu sem gerir kleift að snúa grunninum meðan á prófunum stendur (1f).
Endar akrýlrofa marghyrningsins voru stíflega festir og stýrð tilfærsla var beitt á efsta marghyrninginn á markhraðanum 0.1 mm/s. Tog- og þjöppunarfærslur voru beittar í lotu og takmarkaðar við 13 mm. Rétt fyrir raunverulega prófun á tækinu er rofinn stilltur með því að framkvæma tíu slíkar álagslotur áður en endurheimtarkrafturinn er skráður með því að nota 50N álagsklefa. Á 1g sýnir endurreisnarkraftsferil rofans sem fæst með tilraunum.
Næst, með því að samþætta meðalendurheimtukraft rofans yfir rekstrarsviðið, mun hugsanlega orkuaðgerðin (1h). Lágmörkin í hugsanlegu orkufalli tákna stöðujafnvægi sem tengist skiptaástandunum tveimur (S0 og S1). Fyrir þessa tilteknu uppsetningu koma S0 og S1 fyrir við dreifingarhæð u = 48 mm og 58.5 mm, í sömu röð. Hugsanlegt orkufall er greinilega ósamhverft með mismunandi orkuhindranir ∆E0 í punkti S0 og ∆E1 í punkti S1.
Rofarnir voru settir á rafaflfræðilegan hristara, sem veitir stjórnaða örvun grunnsins í ásstefnu. Til að bregðast við örvun, sveiflast efsta yfirborð rofans í lóðrétta átt. Staða efsta yfirborðs rofans miðað við grunninn var mæld með því að nota laser titringsmæli (2).
Mynd #2
Það kom í ljós að staðbundin ómtíðni rofans fyrir tvö ástand hans er 11.8 Hz fyrir S0 og 9.7 Hz fyrir S1. Að hefja umskipti á milli tveggja ríkja, það er að segja brottför frá hugsanlega vel*, var mjög hægt (0.05 Hz/s) tvíátta línuleg tíðnisveip framkvæmd í kringum tilgreindar tíðnir með grunnhröðun upp á 13 ms-2. Nánar tiltekið, KIMS var upphaflega staðsett á S0 og vaxandi tíðni sópa var hafin við 6 Hz.
Hugsanleg vel * - svæðið þar sem er staðbundið lágmark á hugsanlegri orku ögnarinnar.
Eins og sést á 2bÞegar aksturstíðnin nær um það bil 7.8 Hz, fer rofinn út úr S0-pottinum og inn í S1-pottinn. Rofinn hélt áfram að vera í S1 eftir því sem tíðnin jókst enn frekar.
Þá var rofinn aftur stilltur á S0, en í þetta skiptið hófst niðursópið við 16 Hz. Í þessu tilviki, þegar tíðnin nálgast 8.8 Hz, fer rofinn frá S0 og fer inn og er áfram í hugsanlega holunni S1.
Ríki S0 hefur virkjunarsvið upp á 1 Hz [7.8, 8.8] með hröðun upp á 13 ms-2, og S1 - 6...7.7 Hz (2). Það leiðir af því að KIMS getur valið skipt á milli tveggja ríkja með harmónískri örvun grunns af sömu stærðargráðu en mismunandi tíðni.
Rofibandbreidd KIMS er flókið háð lögun hugsanlegrar orkuvirkni þess, dempunareiginleikum og harmoniskum örvunarbreytum (tíðni og stærð). Þar að auki, vegna mýkjandi ólínulegrar hegðunar rofans, inniheldur virkjunarbandbreiddin ekki endilega línulega endurómtíðnina. Þess vegna er mikilvægt að rofavirkjunarkortið sé búið til fyrir hvern KIMS fyrir sig. Þetta kort er notað til að einkenna tíðni og magn örvunar sem leiðir til þess að skipt er úr einu ástandi í annað og öfugt.
Slíkt kort er hægt að búa til í tilraunaskyni með tíðnissópun á mismunandi örvunarstigum, en þetta ferli er mjög vinnufrekt. Þess vegna ákváðu vísindamenn á þessu stigi að halda áfram að búa til líkan af rofanum, með því að nota hugsanlega orkuvirkni sem ákvarðað var í tilraununum (1h).
Líkanið gerir ráð fyrir að hægt sé að nálgast kraftmikla hegðun rofans með gangverki ósamhverfs tvístöðugras Helmholtz–Duffing sveiflus, sem hægt er að gefa upp á eftirfarandi hátt:
þar sem u — frávik á hreyfanlegu yfirborði akrýl marghyrningsins miðað við þann fasta; m — virkur massi rofans; c — seigfljótandi rakastuðull ákvarðaður með tilraunum; ais—bistable endurheimtarkraftstuðlar; ab og Ω eru grunnstærð og hröðunartíðni.
Meginverkefni uppgerðarinnar er að nota þessa formúlu til að koma á samsetningum ab og Ω sem gerir kleift að skipta á milli tveggja mismunandi ástands.
Vísindamenn taka fram að gagnrýna örvunartíðnina þar sem tvístöðug sveiflu breytist úr einu ástandi í annað er hægt að nálgast með tveimur tíðnum tvískiptingar*: tímabil tvöföldun bifurcation (PD) og cyclic fold bifurcation (CF).
Bifurcation* — eigindleg breyting á kerfinu með því að breyta breytunum sem það er háð.
Með því að nota nálgunina voru tíðniviðbragðsferlar KIMS smíðaðir í tveimur ríkjum þess. Á töflunni 2 sýnir tíðniviðbragðsferla rofans við S0 fyrir tvö mismunandi grunnhröðunarstig.
Við grunnhröðun upp á 5 ms-2 sýnir amplitude-tíðniferillinn smá mýkingu, en engan óstöðugleika eða tvískiptingar. Þannig er rofinn áfram í S0 ástandi, sama hvernig tíðnin breytist.
Hins vegar, þegar grunnhröðunin er aukin í 13 ms-2, minnkar stöðugleiki vegna PD tvískiptingar þar sem aksturstíðnin minnkar.
Með því að nota sama kerfi voru tíðnisvarsferlar rofans í S1 fengnir (2f). Við 5 ms-2 hröðun helst mynstrið það sama. Hins vegar, þar sem grunnhröðunin eykst í 10ms-2 PD og CF tvískiptingar koma fram. Að spenna rofann á hvaða tíðni sem er á milli þessara tveggja tvískiptinga leiðir til þess að skipt er úr S1 í S0.
Hermigögnin benda til þess að það séu stór svæði á virkjunarkortinu þar sem hægt er að virkja hvert ástand á einstakan hátt. Þetta gerir þér kleift að skipta á milli tveggja staða með vali eftir tíðni og stærð kveikjunnar. Það má líka sjá að það er svæði þar sem bæði ríkin geta skipt um samtímis.
Mynd #3
Hægt er að nota blöndu af nokkrum KIMS til að búa til vélrænt minni með nokkrum bitum. Með því að breyta rúmfræði rofa þannig að lögun hugsanlegrar orkufalls hvers tveggja rofa sé nægilega ólík er hægt að hanna virkjunarbandbreidd rofa þannig að þeir skarist ekki. Vegna þessa mun hver rofi hafa einstaka örvunarbreytur.
Til að sýna þessa tækni var búið til 2-bita borð byggt á tveimur rofum með mismunandi mögulega eiginleika (3): biti 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm og n = 12; biti 2 - y0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm og n = 12.
Þar sem hver biti hefur tvö ástand er hægt að ná samtals fjórum mismunandi stöðum S00, S01, S10 og S11 (3b). Tölurnar á eftir S gefa til kynna gildi vinstri (bita 1) og hægri (bita 2) rofa.
Hegðun 2-bita rofa er sýnd í myndbandinu hér að neðan:
Byggt á þessu tæki geturðu líka búið til þyrping af rofum, sem getur verið grundvöllur multi-bita vélrænna minnispjalda.
Fyrir ítarlegri kynningu á blæbrigðum rannsóknarinnar mæli ég með að skoða и til hans.
Eftirmáli
Það er ólíklegt að einhver af höfundum origami gæti ímyndað sér hvernig sköpun þeirra yrði notuð í nútímanum. Annars vegar gefur þetta til kynna mikinn fjölda flókinna þátta sem leynast í venjulegum pappírsfígúrum; hins vegar að nútíma vísindi séu fær um að nota þessa þætti til að skapa eitthvað alveg nýtt.
Í þessari vinnu gátu vísindamenn notað Origami rúmfræði Kroesling til að búa til einfaldan vélrænan rofa sem getur verið í tveimur mismunandi stöðum, allt eftir inntaksbreytum. Þessu má líkja við 0 og 1, sem eru klassískar upplýsingaeiningar.
Tækin sem mynduðust voru sameinuð í vélrænt minniskerfi sem getur geymt 2 bita. Með því að vita að einn stafur tekur 8 bita (1 bæti) vaknar spurningin: hversu mörg svipað origami þarf til að skrifa „Stríð og friður,“ til dæmis.
Vísindamenn eru vel meðvitaðir um þá efasemdir sem þróun þeirra getur valdið. Hins vegar, að þeirra sögn, eru þessar rannsóknir könnun á sviði vélræns minnis. Að auki ætti origami sem notað er í tilraununum ekki að vera stórt; stærð þeirra má minnka verulega án þess að skerða eiginleika þeirra.
Hvað sem því líður þá er ekki hægt að kalla þetta verk venjulegt, banalt eða leiðinlegt. Vísindi eru ekki alltaf notuð til að þróa eitthvað ákveðið og vísindamenn vita ekki alltaf í upphafi hvað þeir eru að búa til. Eftir allt saman, voru flestar uppfinningar og uppgötvanir afleiðing af einfaldri spurningu - hvað ef?
Takk fyrir að horfa, vertu forvitin og eigið frábæra helgi allir! 🙂
Smá auglýsingar
Þakka þér fyrir að vera hjá okkur. Líkar þér við greinarnar okkar? Viltu sjá meira áhugavert efni? Styðjið okkur með því að leggja inn pöntun eða mæla með því við vini, , einstök hliðstæða upphafsþjóna, sem var fundið upp af okkur fyrir þig: (fáanlegt með RAID1 og RAID10, allt að 24 kjarna og allt að 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x ódýrari í Equinix Tier IV gagnaveri í Amsterdam? Aðeins hér í Hollandi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - frá $99! Lestu um
Heimild: www.habr.com