"Blade Runner", "Con Air", "Rain Heavy" - apa sing padha karo wakil saka budaya populer iki? Kabeh, ing tingkat siji utawa liyane, nampilake seni lempitan kertas Jepang kuno - origami. Ing film, game lan ing urip nyata, origami asring digunakake minangka simbol saka raos tartamtu, sawetara kenangan utawa pesen unik. Iki luwih minangka komponen emosional origami, nanging saka sudut pandang ilmiah, akeh aspek menarik saka macem-macem wilayah sing didhelikake ing tokoh kertas: geometri, matématika lan malah mekanika. Dina iki kita bakal kenal karo studi ing ngendi para ilmuwan saka American Institute of Physics nggawe piranti panyimpenan data kanthi lempitan / mbukak tokoh origami. Kepiye carane kertu memori kertas bisa digunakake, prinsip apa sing ditindakake, lan kepiye data bisa disimpen ing piranti kasebut? Kita bakal nemokake jawaban kanggo pitakonan kasebut ing laporan para ilmuwan. Tindak.
Basis riset
Iku angel ngomong kapan persis origami asalé. Nanging kita ngerti manawa ora luwih awal saka 105 Masehi. Ing taun iki Cai Lun nemokke kertas ing China. Mesthine, sadurunge wektu iki, kertas wis ana, nanging ora digawe saka kayu, nanging saka pring utawa sutra. Opsi pisanan ora gampang, lan sing nomer loro larang banget. Cai Lun ditugasi nggawe resep anyar kanggo kertas sing entheng, murah, lan gampang digawe. Tugas kasebut ora gampang, nanging Cai Lun dadi sumber inspirasi sing paling populer - alam. Suwe-suwe dheweke ngawasi tawon, sing omahe digawe saka kayu lan serat tanduran. Tsai Lun nganakake akeh eksperimen ing ngendi dheweke nggunakake macem-macem bahan kanggo kertas mangsa (kulit wit, awu lan malah jala) sing dicampur karo banyu. Massa asil dilebokake ing wangun khusus lan garing ing srengenge. Asil karya kolosal iki minangka obyek sing prosaic kanggo manungsa modern - kertas.
Ing taun 2001, taman kanthi jeneng Cai Lun dibukak ing kutha Leiyang (China).
Panyebaran kertas menyang negara liya ora langsung kedadeyan, mung ing awal abad kaping XNUMX resepe tekan Korea lan Jepang, lan kertas tekan Eropa mung ing abad kaping XNUMX-XNUMX.
Panggunaan kertas sing paling jelas yaiku, mesthi, manuskrip lan percetakan. Nanging, wong Jepang nemokake panggunaan sing luwih elegan - origami, i.e. tokoh kertas lempitan.
Wisata singkat menyang jagad origami lan teknik.
Ana macem-macem pilihan origami, uga teknik nggawe: origami prasaja, kusudama (modular), lempitan teles, origami pola, kirigami, lsp. ()
Saka sudut pandang ilmiah, origami minangka metamaterial mekanik sing sifate ditemtokake dening geometri, lan dudu sifat materi sing digawe. Wis sawetara wektu wis ditampilake manawa struktur deployable XNUMXD sing serbaguna kanthi sifat unik bisa digawe nggunakake pola origami sing diulang.
Gambar #1
Ing gambar 1b nuduhake conto struktur kasebut - bellow sing bisa dipasang, dibangun saka selembar kertas miturut diagram ing 1a. Saka opsi origami sing kasedhiya, para ilmuwan wis nemtokake varian ing ngendi mozaik panel segi telu sing padha sing disusun kanthi simetri siklik, sing dikenal minangka origami Kroesling, dileksanakake.
Penting kanggo dicathet yen struktur adhedhasar origami ana rong jinis: kaku lan ora kaku.
Origami kaku minangka struktur telung dimensi sing mung lipatan ing antarane panel sing ngalami deformasi nalika mbukak.
Conto penting saka origami kaku yaiku Miura-ori, digunakake kanggo nggawe metamaterial mekanik kanthi rasio Poisson negatif. Materi kasebut nduweni macem-macem aplikasi: eksplorasi ruang angkasa, elektronik sing bisa diowahi, otot buatan lan, mesthi, metamaterial mekanik sing bisa diprogram ulang.
Origami non-kaku minangka struktur telung dimensi sing nuduhake deformasi elastis non-kaku panel antarane lipatan nalika mbukak.
Conto varian origami kasebut yaiku pola Kroesling sing wis kasebut sadurunge, sing wis kasil digunakake kanggo nggawe struktur kanthi multistabilitas, kaku, deformasi, softening / hardening, lan / utawa kaku meh nol.
Asil riset
Diilhami dening seni kuno, para ilmuwan mutusake nggunakake origami Kroesling kanggo ngembangake klompok saklar binar mekanik sing bisa dipeksa ngalih ing antarane rong negara statis sing beda nggunakake input sing dikontrol siji ing wangun eksitasi harmonik sing ditrapake ing dasar saklar. .
Kaya sing dideleng saka 1b, Bellows tetep ing salah siji mburi lan tundhuk mbukak external ing arah x ing mburi free liyane. Amarga iki, iku ngalami defleksi simultan lan rotasi bebarengan lan watara sumbu-x. Energi akumulasi sajrone deformasi bellow dibebasake nalika beban eksternal dicopot, nyebabake bellow bali menyang bentuk asline.
Cukup, kita ndeleng spring torsion sing daya pemulihan gumantung saka wangun fungsi energi potensial bellows. Iki gumantung saka paramèter geometris (a0, b0, γ0) saka segi telu komposit sing digunakake kanggo mbangun bellow, uga jumlah total (n) segitiga kasebut (1a).
Kanggo kombinasi tartamtu saka paramèter desain geometris, fungsi energi potensial bellows duwe minimal siji sing cocog kanggo siji titik imbangan stabil. Kanggo kombinasi liyane, fungsi energi potensial nduweni rong minimal sing cocog karo rong konfigurasi bellow statis sing stabil, saben digandhengake karo dhuwur keseimbangan sing beda utawa, minangka alternatif, defleksi spring (1). Jinis spring iki asring disebut bistable (video ing ngisor iki).
Ing gambar 1d nuduhake paramèter geometris anjog menyang tatanan saka spring bistable lan paramèter anjog kanggo tatanan saka spring monostable kanggo n = 12.
A spring bistable bisa mandheg ing salah siji saka posisi keseimbangn ing anané mbukak external lan bisa diaktifake kanggo ngalih ing antarane nalika jumlah sing tepat saka energi kasedhiya. Properti kasebut minangka basis panaliten iki, sing nyinaoni nggawe saklar mekanik Kroesling (KIMS saka Kresling-inspirasi saklar mekanik) kanthi rong negara binar.
Ing tartamtu, minangka ditampilake ing 1c, saklar bisa diaktifake kanggo transisi antarane rong negara kanthi nyedhiyakake energi sing cukup kanggo ngatasi alangan potensial (∆E). Energi bisa disedhiyakake ing wangun aktuasi kuasi-statis alon utawa kanthi nggunakake sinyal harmonik menyang dasar saklar kanthi frekuensi eksitasi sing cedhak karo frekuensi resonansi lokal saklar ing macem-macem kahanan keseimbangan. Ing panliten iki, diputusake nggunakake pilihan kapindho, amarga operasi resonansi harmonik luwih unggul tinimbang operasi kuasi-statis ing sawetara aspek.
Kaping pisanan, aktuasi resonan mbutuhake luwih sithik tenaga kanggo ngalih lan umume luwih cepet. Kapindho, switching resonansi ora sensitif marang gangguan eksternal sing ora cocog karo switch ing negara lokal. Katelu, amarga fungsi potensial saklar biasane asimetris babagan titik keseimbangan U0 sing ora stabil, karakteristik eksitasi harmonik sing dibutuhake kanggo ngalih saka S0 menyang S1 biasane beda karo sing dibutuhake kanggo ngalih saka S1 menyang S0, sing nyebabake kemungkinan ngoper biner eksitasi-selektif.
Konfigurasi KIMS iki becik kanggo nggawe papan memori mekanik multi-bit nggunakake pirang-pirang switch binar kanthi karakteristik sing beda-beda sing diselehake ing platform sing didorong harmonik. Penciptaan piranti kasebut amarga sensitivitas bentuk fungsi energi potensial saklar kanggo owah-owahan ing paramèter geometris panel utama (1-an).
Akibate, macem-macem KIMS kanthi karakteristik desain sing beda-beda bisa diselehake ing platform sing padha lan bungah kanggo transisi saka siji negara menyang negara liyane, kanthi individu utawa ing kombinasi nggunakake set parameter eksitasi sing beda.
Ing tahap pengujian praktis, saklar digawe saka kertas kanthi kapadhetan 180 g / m2 kanthi paramèter geometris: γ0 = 26.5 °; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm lan n = 12. Iki minangka paramèter, miturut petungan (1d), lan mimpin menyang spring asil dadi bistable. Petungan ditindakake kanthi nggunakake model truss aksial (struktur rod) sing disederhanakake saka bellows.
Nggunakake laser, garis perforated digawe ing selembar kertas (1a), yaiku panggonan lempitan. Lempitan banjur digawe ing sadawane pinggir b0 (mlengkung metu) lan γ0 (mlengkung ing njero), lan pinggiran ujung sing adoh digandhengake. Lumahing ndhuwur lan ngisor saklar wis dikuwatake karo poligon akrilik.
Kurva gaya pemulih saka saklar dipikolehi kanthi eksperimen liwat tes kompresi lan tensile sing ditindakake ing mesin uji universal kanthi persiyapan khusus sing ngidini basis bisa diputer sajrone tes (1f).
Ing ends saka polygon ngalih akrilik padha rigidly tetep, lan pamindahan kontrol iki Applied menyang polygon ndhuwur ing kacepetan target 0.1 mm / s. Pamindahan tensile lan compressive ditrapake sacara siklus lan diwatesi nganti 13 mm. Sakdurunge tes nyata piranti kasebut, saklar disetel kanthi nindakake sepuluh siklus beban kasebut sadurunge kekuwatan pemulih direkam nggunakake sel beban 50N. On 1g nuduhake kurva gaya mulihake saka ngalih dijupuk eksperimen.
Sabanjure, kanthi nggabungake gaya pemulih rata-rata saklar ing sawetara operasi, fungsi energi potensial (1h). Minima ing fungsi energi potensial makili keseimbangan statis sing digandhengake karo rong negara switch (S0 lan S1). Kanggo konfigurasi tartamtu iki, S0 lan S1 dumadi ing dhuwur penyebaran u = 48 mm lan 58.5 mm, mungguh. Fungsi energi potensial cetha asimetris kanthi alangan energi sing beda ∆E0 ing titik S0 lan ∆E1 ing titik S1.
Ngalih diselehake ing shaker elektrodinamika, sing nyedhiyakake eksitasi kontrol basa ing arah aksial. Kanggo nanggepi eksitasi, permukaan ndhuwur switch oscillates ing arah vertikal. Posisi permukaan ndhuwur saklar relatif marang pangkalan diukur nggunakake vibrometer laser (2a).
Gambar #2
Ditemokake yen frekuensi resonansi lokal saka switch kanggo rong negara yaiku 11.8 Hz kanggo S0 lan 9.7 Hz kanggo S1. Kanggo miwiti transisi antarane rong negara, yaiku, metu saka sumur potensial*, Sapuan frekuensi linear bidirectional banget alon (0.05 Hz/s) ditindakake ing sekitar frekuensi sing diidentifikasi kanthi percepatan dasar 13 ms-2. Khusus, KIMS wiwitane dipanggonke ing S0 lan frekuensi sapuan mundhak diwiwiti ing 6 Hz.
Potensi sumur* - wilayah ngendi ana minimal lokal energi potensial saka partikel.
Kaya sing dideleng ing 2bNalika frekuensi nyopir tekan kira-kira 7.8 Hz, switch ninggalake sumur potensial S0 lan mlebu sumur potensial S1. Ngalih terus tetep ing S1 minangka frekuensi tambah luwih.
Ngalih banjur disetel menyang S0 maneh, nanging wektu iki downsweep diwiwiti ing 16 Hz. Ing kasus iki, nalika frekuensi nyedhaki 8.8 Hz, saklar ninggalake S0 lan mlebu lan tetep ing sumur potensial S1.
State S0 nduweni pita aktivasi 1 Hz [7.8, 8.8] kanthi percepatan 13 ms-2, lan S1 - 6...7.7 Hz (2). Dadi, KIMS bisa selektif ngalih ing antarane rong negara kanthi eksitasi harmonik saka basis sing padha, nanging beda frekuensi.
Bandwidth switching saka KIMS nduweni katergantungan sing kompleks ing wangun fungsi energi potensial, karakteristik redaman, lan paramèter eksitasi harmonik (frekuensi lan magnitudo). Kajaba iku, amarga prilaku nonlinier sing lembut saka switch, bandwidth aktivasi ora kudu kalebu frekuensi resonansi linier. Mulane, penting yen peta aktivasi switch digawe kanggo saben KIMS kanthi individu. Peta iki digunakake kanggo nemtokake frekuensi lan magnitudo eksitasi sing nyebabake owah-owahan saka negara siji menyang negara liyane lan kosok balene.
Peta kasebut bisa digawe kanthi eksperimen kanthi frekuensi nyapu ing tingkat eksitasi sing beda-beda, nanging proses iki mbutuhake tenaga kerja. Mulane, para ilmuwan mutusake ing tahap iki kanggo nerusake modeling switch, nggunakake fungsi energi potensial sing ditemtokake sajrone eksperimen (1h).
Model kasebut nganggep yen prilaku dinamis saklar bisa dikira-kira kanthi dinamika osilator Helmholtz-Duffing bistable asimetris, persamaan gerakan sing bisa digambarake kaya ing ngisor iki:
ngendi u - panyimpangan saka pasuryan sing bisa dipindhah saka poligon akrilik relatif marang sing tetep; m - massa efektif saka ngalih; c - koefisien damping viscous ditemtokake kanthi eksperimen; ais - koefisien gaya pemulih bistable; ab lan Ω minangka magnitudo dasar lan frekuensi percepatan.
Tugas utama simulasi yaiku nggunakake rumus iki kanggo nggawe kombinasi ab lan Ω sing ngidini ngoper antarane rong negara sing beda.
Para ilmuwan nyathet yen frekuensi eksitasi kritis nalika transisi osilator bistable saka siji negara menyang negara liyane bisa dikira kanthi rong frekuensi. bifurcations *: Periode doubling bifurcation (PD) lan cyclic fold bifurcation (CF).
Bifurkasi * - owah-owahan kualitatif sistem kanthi ngganti paramèter sing gumantung.
Nggunakake perkiraan, kurva respon frekuensi KIMS dibangun ing rong negara. Ing grafik 2-an nuduhake kurva respon frekuensi switch ing S0 kanggo loro tingkat percepatan basa beda.
Ing akselerasi basa 5 ms-2, kurva amplitudo-frekuensi nuduhake softening tipis, nanging ora stabilitas utawa bifurcations. Mangkono, saklar tetep ing negara S0 ora ketompo carane owah-owahan frekuensi.
Nanging, nalika akselerasi basa ditambah dadi 13 ms-2, stabilitas mudhun amarga bifurkasi PD amarga frekuensi nyopir mudhun.
Nggunakake skema sing padha, kurva respon frekuensi saklar ing S1 dipikolehi (2f). Ing percepatan 5 ms-2, pola sing diamati tetep padha. Nanging, nalika akselerasi dhasar mundhak dadi 10ms-2 PD lan CF bifurcations katon. Macem ngalih ing sembarang frekuensi antarane loro bifurcations asil ing ngalih saka S1 kanggo S0.
Data simulasi nuduhake yen ana wilayah gedhe ing peta aktivasi sing saben negara bisa diaktifake kanthi cara sing unik. Iki ngidini sampeyan selektif ngalih ing antarane rong negara gumantung saka frekuensi lan magnitudo pemicu. Uga bisa dideleng yen ana wilayah ing ngendi loro negara bisa ngalih bebarengan.
Gambar #3
Kombinasi sawetara KIMS bisa digunakake kanggo nggawe memori mekanik saka sawetara bit. Kanthi werna-werna geometri ngalih supaya wangun saka fungsi energi potensial sembarang loro ngalih cukup beda, iku bisa kanggo desain bandwidth aktifitas switch supaya padha ora tumpang tindih. Amarga iki, saben switch bakal duwe paramèter eksitasi sing unik.
Kanggo nduduhake teknik iki, papan 2-bit digawe adhedhasar rong saklar kanthi karakteristik potensial sing beda (3a): bit 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm lan n = 12; bit 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm lan n = 12.
Amarga saben bit duwe rong status, total papat negara beda S00, S01, S10 lan S11 bisa digayuh (3b). Angka sawise S nuduhake nilai kiwa (dicokot 1) lan tengen (dicokot 2) ngalih.
Prilaku saklar 2-bit ditampilake ing video ing ngisor iki:
Adhedhasar piranti iki, sampeyan uga bisa nggawe klompok ngalih, kang bisa dadi basis saka multi-dicokot Papan memori mechanical.
Kanggo kenalan sing luwih rinci karo nuansa sinau, aku nyaranake ndeleng и kanggo dheweke.
Epilogue
Ora mungkin para pangripta origami bisa mbayangake kepiye carane nggawe origami digunakake ing jagad modern. Ing tangan siji, iki nuduhake nomer akeh unsur Komplek didhelikake ing tokoh kertas biasa; ing tangan liyane, sing ilmu modern saged nggunakake unsur iki kanggo nggawe soko rampung anyar.
Ing karya iki, para ilmuwan bisa nggunakake geometri origami Kroesling kanggo nggawe saklar mechanical prasaja sing bisa ing rong negara beda, gumantung ing paramèter input. Iki bisa dibandhingake karo 0 lan 1, yaiku unit informasi klasik.
Piranti sing diasilake digabung dadi sistem memori mekanik sing bisa nyimpen 2 bit. Ngerti yen siji huruf njupuk 8 bit (1 bait), pitakonan muncul: umpamane, jumlah origami sing padha bakal dibutuhake kanggo nulis "Perang lan Damai".
Para ilmuwan ngerti banget babagan skeptisisme sing bisa nyebabake pangembangane. Nanging, miturut wong-wong mau, riset iki minangka eksplorasi ing bidang memori mekanik. Kajaba iku, origami sing digunakake ing eksperimen kasebut ora kudu gedhe, dimensi kasebut bisa dikurangi kanthi signifikan tanpa kompromi sifate.
Apa wae, karya iki ora bisa diarani biasa, banal utawa mboseni. Ilmu ora mesthi digunakake kanggo ngembangake sesuatu sing spesifik, lan para ilmuwan ora mesthi ngerti apa sing digawe. Sawise kabeh, paling panemuan lan panemuan minangka asil saka pitakonan prasaja - apa yen?
Matur nuwun kanggo nonton, tetep penasaran lan duwe akhir minggu sing apik kabeh! 🙂
Sawetara iklan
Matur nuwun kanggo tetep karo kita. Apa sampeyan seneng karo artikel kita? Pengin ndeleng konten sing luwih menarik? Ndhukung kita kanthi nggawe pesenan utawa menehi rekomendasi menyang kanca, , analog unik saka server level entri, sing diciptakake kanggo sampeyan: (kasedhiya karo RAID1 lan RAID10, munggah 24 intine lan nganti 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kaping luwih murah ing pusat data Equinix Tier IV ing Amsterdam? Mung kene ing Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - saka $99! Maca babagan
Source: www.habr.com