סיבי נייר: יצירת זיכרון מכני מאוריגמי

"בלייד ראנר", "קון אייר", "גשם כבד" - מה משותף לנציגי התרבות הפופולרית האלה? כולם, במידה זו או אחרת, מציגים את האמנות היפנית העתיקה של קיפולי נייר - אוריגמי. בסרטים, במשחקים ובחיים האמיתיים, אוריגמי משמש לעתים קרובות כסמל של רגשות מסוימים, כמה זיכרונות או מסר ייחודי. זה יותר מרכיב רגשי של אוריגמי, אבל מנקודת מבט מדעית מסתתרים בדמויות נייר היבטים מעניינים רבים ממגוון תחומים: גיאומטריה, מתמטיקה ואפילו מכניקה. היום נתוודע למחקר שבו מדענים מהמכון האמריקני לפיזיקה יצרו התקן אחסון נתונים על ידי קיפול/פיתוח דמויות אוריגמי. איך בדיוק עובד כרטיס זיכרון מנייר, אילו עקרונות מיושמים בו וכמה נתונים יכול לאחסן מכשיר כזה? תשובות לשאלות אלו נמצא בדוח המדענים. ללכת.

בסיס מחקר

קשה לומר מתי בדיוק מקורו של האוריגמי. אבל אנחנו יודעים בוודאות שלא לפני שנת 105 לספירה. בשנה זו המציא קאי לון את הנייר בסין. כמובן, לפני הרגע הזה, נייר כבר היה קיים, אבל הוא לא היה עשוי מעץ, אלא מבמבוק או משי. האפשרות הראשונה לא הייתה קלה, והשנייה הייתה יקרה במיוחד. על קאי לון הוטל להמציא מתכון חדש לנייר שיהיה קל, זול וקל להכנה. המשימה לא קלה, אבל קאי לון פנה למקור ההשראה הפופולרי ביותר - הטבע. במשך זמן רב הוא צפה בצרעות, שבתיהן היו עשויים מעץ ומסיבי צמחים. צאי לון ערך ניסויים רבים שבהם השתמש במגוון חומרים לנייר עתידי (קליפת עצים, אפר ואפילו רשתות דייג) מעורבבים במים. המסה שהתקבלה הונחה בצורה מיוחדת וייבשה בשמש. התוצאה של יצירה אדירה זו הייתה חפץ שהוא פרוזאי עבור האדם המודרני - נייר.

בשנת 2001 נפתח בעיר לייאנג (סין) פארק על שם קאי לון.

התפשטות הנייר למדינות אחרות לא התרחשה מיד, רק בתחילת המאה ה-XNUMX הגיע המתכון שלו לקוריאה ויפן, והנייר הגיע לאירופה רק במאות ה-XNUMX-XNUMX.

השימוש הברור ביותר בנייר הוא, כמובן, כתבי יד ודפוס. עם זאת, היפנים מצאו בו שימוש אלגנטי יותר - אוריגמי, כלומר. דמויות נייר מתקפלות.

טיול קצר לעולם האוריגמי וההנדסה.

יש מגוון גדול של אפשרויות אוריגמי, כמו גם הטכניקות להכנתן: אוריגמי פשוט, kusudama (מודולרי), קיפול רטוב, אוריגמי דפוס, קיריגמי וכו'. (אנציקלופדיה מאוירת של אוריגמי)

מנקודת מבט מדעית, אוריגמי הוא מטא-חומר מכני שתכונותיו נקבעות לפי הגיאומטריה שלו, ולא לפי תכונות החומר ממנו הוא עשוי. הוכח כבר זמן רב שניתן ליצור מבנים ניתנים לפריסה תלת מימדית עם מאפיינים ייחודיים באמצעות דפוסי אוריגמי חוזרים.

תמונה מס' 1

על התמונה 1b מציג דוגמה למבנה כזה - מפוח ניתן לפריסה, הבנוי מגיליון נייר בודד לפי התרשים על 1а. מתוך אפשרויות האוריגמי הזמינות, מדענים זיהו גרסה שבה מיושם פסיפס של לוחות משולשים זהים המסודרים בסימטריה מחזורית, המכונה אוריגמי קרוסלינג.

חשוב לציין שמבנים מבוססי אוריגמי מגיעים בשני סוגים: קשיחים ולא קשיחים.

אוריגמי קשיח הוא מבנה תלת מימדי בו רק הקפלים בין הפאנלים עוברים דפורמציה במהלך הפתיחה.

דוגמה בולטת לאוריגמי נוקשה היא Miura-ori, המשמשת ליצירת מטא-חומרים מכניים עם יחס שלילי של פואסון. לחומר כזה יש מגוון רחב של יישומים: חקר חלל, אלקטרוניקה ניתנת לעיוות, שרירים מלאכותיים וכמובן, מטא-חומרים מכניים הניתנים לתכנות מחדש.

אוריגמי לא קשיח הם מבנים תלת מימדיים המפגינים עיוות אלסטי לא קשיח של לוחות בין קפלים במהלך הפתיחה.

דוגמה לגרסה כזו של אוריגמי היא תבנית קרוסלינג שהוזכרה קודם לכן, אשר שימשה בהצלחה ליצירת מבנים בעלי יציבות רב ניתנת לכוונון, קשיחות, דפורמציה, ריכוך/התקשות ו/או קשיחות כמעט אפס.

תוצאות המחקר

בהשראת אמנות עתיקה, המדענים החליטו להשתמש באוריגמי של קרוסלינג כדי לפתח מקבץ של מתגים בינאריים מכניים שניתן לאלץ לעבור בין שני מצבים סטטיים שונים באמצעות קלט בודד מבוקר בצורה של עירור הרמוני המופעל על בסיס המתג. .

כפי שנראה מ 1b, המפוח קבוע בקצה אחד ונתון לעומס חיצוני בכיוון x בקצה החופשי השני. בשל כך, הוא עובר סטיה וסיבוב בו זמנית לאורך וסביב ציר ה-x. האנרגיה שנצברת במהלך עיוות המפוח משתחררת עם הסרת העומס החיצוני, מה שגורם למפוח לחזור לצורתו המקורית.

במילים פשוטות, אנו מסתכלים על קפיץ פיתול שכוח השיקום שלו תלוי בצורת תפקוד האנרגיה הפוטנציאלית של המפוח. הדבר תלוי בתורו בפרמטרים הגיאומטריים (a0, b0, γ0) של המשולש המרוכב המשמש לבניית המפוח, וכן במספר הכולל (n) של משולשים אלה (1а).

עבור שילוב מסוים של פרמטרים עיצוביים גיאומטריים, לפונקציית האנרגיה הפוטנציאלית של המפוח יש מינימום יחיד המתאים לנקודת שיווי משקל יציבה אחת. עבור שילובים אחרים, לפונקציית האנרגיה הפוטנציאלית יש שתי מינימות התואמות לשתי תצורות מפוח סטטי יציבות, כל אחת משויכת לגובה שיווי משקל שונה או, לחילופין, לסטייה קפיצית (1c). סוג זה של קפיץ נקרא לעתים קרובות ביסטי (וידאו למטה).

על התמונה 1d מציג את הפרמטרים הגיאומטריים המובילים להיווצרות קפיץ דו יציב ואת הפרמטרים המובילים להיווצרות קפיץ חד יציב עבור n=12.

קפיץ דו יציב יכול לעצור באחד ממצבי שיווי המשקל שלו בהיעדר עומסים חיצוניים וניתן להפעילו כדי לעבור ביניהם כאשר כמות האנרגיה הנכונה זמינה. תכונה זו היא הבסיס למחקר זה, הבוחן את יצירתם של מתגים מכניים של קרוסלינג (KIMS מ מתגים מכניים בהשראת קרסלינג) עם שני מצבים בינאריים.

בפרט, כפי שמוצג ב 1c, ניתן להפעיל את המתג למעבר בין שני המצבים שלו על ידי אספקת מספיק אנרגיה כדי להתגבר על המחסום הפוטנציאלי (∆E). ניתן לספק את האנרגיה בצורה של הפעלה מעין-סטטית איטית או על ידי הפעלת אות הרמוני לבסיס המתג עם תדר עירור קרוב לתדר התהודה המקומי של המתג במצבי שיווי המשקל השונים שלו. במחקר זה הוחלט להשתמש באפשרות השנייה, שכן פעולת תהודה הרמונית עדיפה על פעולה קוואזי-סטטית במובנים מסוימים.

ראשית, הפעלת תהודה דורשת פחות כוח כדי לעבור ובדרך כלל היא מהירה יותר. שנית, מיתוג תהודה אינו רגיש להפרעות חיצוניות שאינן מהדהדות עם המתג במדינותיו המקומיות. שלישית, מכיוון שתפקוד הפוטנציאל של המתג הוא בדרך כלל אסימטרי ביחס לנקודת שיווי המשקל הבלתי יציבה U0, מאפייני העירור ההרמוניים הנדרשים למעבר מ-S0 ל-S1 שונים בדרך כלל מאלה הנדרשים למעבר מ-S1 ל-S0, וכתוצאה מכך האפשרות של מיתוג בינארי סלקטיבי לעירור.

תצורת KIMS זו אידיאלית ליצירת לוח זיכרון מכני מרובה סיביות באמצעות מתגים בינאריים מרובים עם מאפיינים שונים הממוקמים על פלטפורמה מונעת הרמונית אחת. יצירת מכשיר כזה נובעת מהרגישות של צורת פונקציית האנרגיה הפוטנציאלית של המתג לשינויים בפרמטרים הגיאומטריים של הלוחות הראשיים (1е).

כתוצאה מכך, ניתן למקם מספר KIMS עם מאפייני עיצוב שונים על אותה פלטפורמה ולרגש למעבר ממצב אחד לאחר, בנפרד או בשילוב באמצעות סטים שונים של פרמטרי עירור.

בשלב הבדיקה המעשית נוצר מתג מנייר בצפיפות של 180 גרם/מ"ר עם פרמטרים גיאומטריים: γ2 = 0°; b26.5/a0 = 0; a1.68 = 0 מ"מ ו-n = 40. אלו הם הפרמטרים, אם לשפוט לפי החישובים (1d), ומובילים לכך שהקפיץ שנוצר יהיה דו יציב. החישובים בוצעו באמצעות מודל פשוט של המסבך הצירי (מבנה המוט) של המפוח.

בעזרת לייזר נוצרו קווים מחוררים על פיסת נייר (1а), שהם מקומות מתקפלים. לאחר מכן נעשו קיפולים לאורך הקצוות b0 (מעוקל כלפי חוץ) ו-γ0 (מעוקל פנימה), וקצוות הקצוות הרחוקים חוברו היטב. המשטח העליון והתחתון של המתג חוזקו במצולעים אקריליים.

עקומת כוח השחזור של המתג התקבלה בניסוי באמצעות מבחני דחיסה ומתיחה שבוצעו במכונת בדיקה אוניברסלית עם הגדרה מיוחדת המאפשרת לסובב את הבסיס במהלך הבדיקות (1f).

הקצוות של מצולע המתג האקרילי היו קבועים בקשיחות, ותזוזה מבוקרת הוחלה על המצולע העליון במהירות יעד של 0.1 מ"מ לשנייה. תזוזות מתיחה ודחיסה בוצעו באופן מחזורי והוגבלו ל-13 מ"מ. רגע לפני הבדיקה בפועל של המכשיר, מתג מותאם על ידי ביצוע עשרה מחזורי עומס כאלה לפני שכוח השחזור נרשם באמצעות תא עומס 50N. עַל 1g מראה את עקומת כוח השחזור של המתג שהושג בניסוי.

לאחר מכן, על ידי שילוב כוח השחזור הממוצע של המתג על פני טווח הפעולה, פונקציית האנרגיה הפוטנציאלית (1h). המינימום בפונקציית האנרגיה הפוטנציאלית מייצגים שיווי משקל סטטיים הקשורים לשני מצבי המתג (S0 ו-S1). עבור תצורה מסוימת זו, S0 ו-S1 מתרחשים בגבהי פריסה u = 48 מ"מ ו-58.5 מ"מ, בהתאמה. פונקציית האנרגיה הפוטנציאלית היא אסימטרית בעליל עם מחסומי אנרגיה שונים ∆E0 בנקודה S0 ו∆E1 בנקודה S1.

המתגים הונחו על שייקר אלקטרודינמי, המספק עירור מבוקר של הבסיס בכיוון הצירי. בתגובה לעירור, המשטח העליון של המתג מתנודד בכיוון אנכי. מיקום המשטח העליון של המתג ביחס לבסיס נמדד באמצעות מד ויברומטר לייזר (2а).

תמונה מס' 2

נמצא כי תדר התהודה המקומי של המתג עבור שני מצביו הוא 11.8 הרץ עבור S0 ו-9.7 הרץ עבור S1. ליזום מעבר בין שני מצבים, כלומר יציאה מ פוטנציאל טוב*, בוצע סוויפ תדר ליניארי דו-כיווני איטי מאוד (0.05 הרץ/שניה) סביב התדרים שזוהו עם תאוצת בסיס של 13 ms-2. באופן ספציפי, ה-KIMS הוצב בתחילה ב-S0 וסוויפ התדר הגדל הוחל ב-6 הרץ.

באר פוטנציאלית* - האזור שבו יש מינימום מקומי של האנרגיה הפוטנציאלית של החלקיק.

כפי שנראה ב 2bכאשר תדר ההנעה מגיע לכ-7.8 הרץ, המתג יוצא מבאר הפוטנציאל S0 ונכנס לבאר הפוטנציאל S1. המתג המשיך להישאר ב-S1 כשהתדר גדל עוד יותר.

לאחר מכן, המתג הוגדר שוב ל-S0, אך הפעם הופעל הסוויפ למטה ב-16 הרץ. במקרה זה, כאשר התדר מתקרב ל-8.8 הרץ, המתג יוצא מ-S0 ונכנס ונשאר בבאר הפוטנציאלית S1.

למצב S0 יש פס הפעלה של 1 הרץ [7.8, 8.8] עם תאוצה של 13 ms-2, ו-S1 - 6...7.7 הרץ (2c). מכאן נובע ש-KIMS יכול לעבור באופן סלקטיבי בין שני מצבים באמצעות עירור הרמוני של בסיס באותו גודל אך בתדר שונה.

לרוחב הפס המיתוג של KIMS יש תלות מורכבת בצורת פונקציית האנרגיה הפוטנציאלית שלו, מאפייני השיכוך ופרמטרי עירור הרמוניים (תדירות וגודל). בנוסף, בשל ההתנהגות הלא-לינארית המתרככת של המתג, רוחב הפס של ההפעלה אינו כולל בהכרח את תדר התהודה הליניארית. לכן, חשוב שמפת הפעלת המתגים תיווצר עבור כל KIMS בנפרד. מפה זו משמשת לאפיון תדירות וגודל העירור שמביאים למעבר ממצב אחד לאחר ולהיפך.

מפה כזו יכולה להיווצר בניסוי על ידי טאטוא תדרים ברמות עירור שונות, אך תהליך זה הוא מאוד אינטנסיבי. לכן, מדענים החליטו בשלב זה לעבור למודלים של המתג, תוך שימוש בפונקציית האנרגיה הפוטנציאלית שנקבעה במהלך הניסויים (1h).

המודל מניח שניתן להעריך היטב את ההתנהגות הדינמית של המתג על ידי הדינמיקה של מתנד הלמהולץ-דאפינג בי-סימטרי, שמשוואת התנועה שלו יכולה לבוא לידי ביטוי באופן הבא:

איפה u - סטייה של הפנים הנעים של המצולע האקרילי ביחס לזה הקבוע; m - מסה יעילה של המתג; c - מקדם שיכוך צמיג שנקבע בניסוי; ais - מקדמי כוח שחזור ביסטיים; ab ו-Ω הם גודל הבסיס ותדר התאוצה.

המשימה העיקרית של הסימולציה היא להשתמש בנוסחה זו כדי לקבוע שילובים של ab ו-Ω המאפשרים מעבר בין שני מצבים שונים.

מדענים מציינים כי ניתן להעריך את תדרי העירור הקריטיים שבהם מתנד בי-יציב עובר ממצב אחד לאחר בשני תדרים התפצלות*: התפצלות הכפלה תקופתית (PD) והתפצלות קפל מחזורית (CF).

הִתפַּצְלוּת* - שינוי איכותי של המערכת על ידי שינוי הפרמטרים שבהם היא תלויה.

באמצעות הקירוב, עקומות תגובת תדר של KIMS נבנו בשני המצבים שלה. על התרשים 2е מציג את עקומות תגובת התדר של המתג ב-S0 עבור שתי רמות תאוצה בסיסיות שונות.

בתאוצת בסיס של 5 ms-2, עקומת המשרעת-תדר מראה ריכוך קל, אך ללא אי יציבות או התפצלות. לפיכך, המתג נשאר במצב S0 לא משנה איך התדר משתנה.

עם זאת, כאשר תאוצת הבסיס מוגברת ל-13 ms-2, היציבות פוחתת עקב התפצלות PD ככל שתדירות הנהיגה פוחתת.

באמצעות אותה סכימה, התקבלו עקומות תגובת תדר של המתג ב-S1 (2f). בתאוצה של 5 ms-2, הדפוס הנצפה נשאר זהה. עם זאת, ככל שתאוצת הבסיס עולה ל-10ms-2 מופיעות התפצלות PD ו-CF. הפעלת המתג בכל תדר בין שני ההתפצלות הללו מביאה למעבר מ-S1 ל-S0.

נתוני הסימולציה מצביעים על כך שיש אזורים גדולים במפת ההפעלה בהם ניתן להפעיל כל מצב בצורה ייחודית. זה מאפשר לך לעבור באופן סלקטיבי בין שני מצבים בהתאם לתדירות וגודל הדק. ניתן גם לראות שיש אזור שבו שני המצבים יכולים לעבור בו זמנית.

תמונה מס' 3

ניתן להשתמש בשילוב של מספר KIMS ליצירת זיכרון מכני של מספר ביטים. על ידי שינוי גיאומטריית המתגים כך שצורת פונקציית האנרגיה הפוטנציאלית של כל שני מתגים תהיה שונה במידה מספקת, ניתן לתכנן את רוחב הפס ההפעלה של המתגים כך שהם לא יחפפו. בשל כך, לכל מתג יהיו פרמטרי עירור ייחודיים.

כדי להדגים טכניקה זו, נוצר לוח של 2 סיביות המבוסס על שני מתגים בעלי מאפיינים פוטנציאליים שונים (3а): bit 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 מ"מ ו-n = 12; סיביות 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 מ"מ ו-n = 12.

מכיוון שלכל ביט יש שני מצבים, ניתן להגיע בסך הכל לארבעה מצבים שונים S00, S01, S10 ו-S11 (3b). המספרים אחרי S מציינים את הערך של המתגים השמאלי (סיביות 1) והימנית (סיביות 2).

ההתנהגות של מתג 2 סיביות מוצגת בסרטון הבא:

בהתבסס על מכשיר זה, אתה יכול גם ליצור מקבץ של מתגים, שיכול להיות הבסיס של לוחות זיכרון מכאניים מרובי סיביות.

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים и חומרים נוספים אליו.

אפילוג

אין זה סביר שמישהו מיוצרי האוריגמי יוכל לדמיין כיצד ייעשה שימוש ביצירתם בעולם המודרני. מצד אחד, זה מצביע על מספר רב של אלמנטים מורכבים החבויים בדמויות נייר רגילות; מצד שני, המדע המודרני מסוגל להשתמש באלמנטים האלה כדי ליצור משהו חדש לגמרי.

בעבודה זו, מדענים הצליחו להשתמש בגיאומטריית האוריגמי של קרוסלינג כדי ליצור מתג מכני פשוט שיכול להיות בשני מצבים שונים, בהתאם לפרמטרי הקלט. ניתן להשוות זאת ל-0 ו-1, שהן יחידות המידע הקלאסיות.

המכשירים שהתקבלו שולבו למערכת זיכרון מכנית המסוגלת לאחסן 2 ביטים. בידיעה שאות אחת תופסת 8 ביטים (1 בייט), נשאלת השאלה: כמה אוריגמי דומה יהיה צורך לכתוב "מלחמה ושלום", למשל.

מדענים מודעים היטב לספקנות שהתפתחותם עלולה לגרום. אולם, לדבריהם, מחקר זה הוא חקר בתחום הזיכרון המכני. בנוסף, האוריגמי המשמש בניסויים לא אמור להיות גדול; ניתן להקטין את הממדים שלהם באופן משמעותי מבלי לפגוע בתכונותיהם.

כך או כך, עבודה זו אינה יכולה להיקרא רגילה, בנאלית או משעממת. לא תמיד משתמשים במדע כדי לפתח משהו ספציפי, ומדענים לא תמיד יודעים בתחילה מה בדיוק הם יוצרים. אחרי הכל, רוב ההמצאות והתגליות היו תוצאה של שאלה פשוטה – מה אם?

תודה שצפיתם, תישארו סקרנים ושבוע טוב לכולם! 🙂

קצת פרסום

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, Cloud VPS למפתחים החל מ-$4.99, אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 ליבות) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps החל מ-$19 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2 במרכז הנתונים Equinix Tier IV באמסטרדם? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com