Бит за хартија: создавање механичка меморија од оригами

„Blade Runner“, „Con Air“, „Heavy Rain“ - што имаат заедничко овие претставници на популарната култура? Сите, до еден или друг степен, се карактеризираат со древната јапонска уметност на виткање хартија - оригами. Во филмовите, игрите и во реалниот живот, оригамито често се користи како симбол на одредени чувства, некои спомени или уникатна порака. Ова е повеќе емотивна компонента на оригамито, но од научна гледна точка, многу интересни аспекти од различни области се скриени во фигурите на хартија: геометрија, математика, па дури и механика. Денеска ќе се запознаеме со студија во која научниците од Американскиот институт за физика создале уред за складирање податоци со превиткување/одвиткување фигури на оригами. Како точно работи хартиената мемориска картичка, кои принципи се имплементирани во неа и колку податоци може да складира таков уред? Одговорите на овие прашања ќе ги најдеме во извештајот на научниците. Оди.

Истражувачка основа

Тешко е да се каже кога точно настанало оригами. Но, со сигурност знаеме дека не порано од 105 г. Токму во оваа година Каи Лун ја измислил хартијата во Кина. Се разбира, пред овој момент, хартијата веќе постоеше, но не беше направена од дрво, туку од бамбус или свила. Првата опција не беше лесна, а втората беше исклучително скапа. Каи Лун имала задача да смисли нов рецепт за хартија што би бил лесен, евтин и лесен за правење. Задачата не е лесна, но Каи Лун се сврте кон најпопуларниот извор на инспирација - природата. Долго време ги набљудувал осите, чии домови биле направени од дрво и растителни влакна. Цаи Лун спроведе многу експерименти во кои користеше различни материјали за идна хартија (кора од дрво, пепел, па дури и рибарски мрежи) измешани со вода. Добиената маса беше поставена во посебна форма и се суши на сонце. Резултатот од ова колосално дело беше предмет кој е прозаичен за современиот човек - хартијата.

Во 2001 година, во градот Лејанг (Кина) беше отворен парк именуван по Каи Лун.

Ширењето на хартијата во други земји не се случи веднаш; само на почетокот на VII век неговиот рецепт стигна до Кореја и Јапонија, а хартијата стигна во Европа дури во 11-12 век.

Најочигледната употреба на хартија е, се разбира, ракописите и печатењето. Сепак, Јапонците му најдоа поелегантна употреба - оригами, т.е. фигури за преклопување на хартија.

Кратка екскурзија во светот на оригами и инженерство.

Има голема разновидност на опции за оригами, како и техники за нивно изработка: едноставно оригами, кусудама (модуларно), влажно виткање, оригами со дезен, киригами итн. (Илустрирана енциклопедија на оригами)

Од научна гледна точка, оригами е механички метаматеријал чии својства се одредуваат според неговата геометрија, а не од својствата на материјалот од кој е направен. Веќе подолго време е докажано дека разновидните 3D распоредливи структури со уникатни својства можат да се создадат со користење на повторувачки обрасци на оригами.

Слика бр. 1

На сликата 1b покажува пример за таква структура - распоредлив мев, изграден од еден лист хартија според дијаграмот на 1. Од достапните опции за оригами, научниците идентификуваа варијанта во која е имплементиран мозаик од идентични триаголни панели распоредени во циклична симетрија, познати како Крослинг оригами.

Важно е да се напомене дека структурите базирани на оригами доаѓаат во два вида: крути и нецврсти.

Крутото оригами е тродимензионална структура во која само наборите меѓу панелите претрпуваат деформација при расклопување.

Забележителен пример за крути оригами е Миура-ори, кој се користи за создавање механички метаматеријали со негативен Поасонов сооднос. Таквиот материјал има широк опсег на примени: истражување на вселената, деформабилна електроника, вештачки мускули и, се разбира, механички метаматеријали што може да се репрограмираат.

Не-цврстите оригами се тродимензионални структури кои покажуваат нецврста еластична деформација на панелите помеѓу наборите за време на расклопувањето.

Пример за ваква варијанта на оригами е претходно споменатата Крослинг шема, која успешно се користи за создавање структури со приспособлива повеќестабилност, вкочанетост, деформација, омекнување/зацврстување и/или речиси нула вкочанетост.

Резултати од истражувањето

Инспирирани од античката уметност, научниците одлучија да го искористат оригамито на Крослинг за да развијат кластер од механички бинарни прекинувачи кои можат да бидат принудени да се префрлаат помеѓу две различни статички состојби користејќи единствен контролиран влез во форма на хармонично возбудување применето на основата на прекинувачот. .

Како што се гледа од 1b, мевот е фиксиран на едниот крај и подложен на надворешно оптоварување во насока x на другиот слободен крај. Поради ова, тој е подложен на истовремено отклонување и ротација долж и околу оската x. Енергијата акумулирана за време на деформацијата на мевот се ослободува кога се отстранува надворешното оптоварување, што предизвикува мевот да се врати во првобитната форма.

Едноставно кажано, гледаме на торзиона пружина чија моќ за враќање зависи од обликот на функцијата на потенцијалната енергија на мевот. Ова пак зависи од геометриските параметри (a0, b0, γ0) на композитниот триаголник што се користи за конструирање на мевот, како и од вкупниот број (n) на овие триаголници (1).

За одредена комбинација на параметри на геометриски дизајн, функцијата за потенцијална енергија на мевот има единствен минимум што одговара на една стабилна точка на рамнотежа. За други комбинации, функцијата на потенцијална енергија има два минимуми што одговараат на две стабилни конфигурации на статички мевови, секоја поврзана со различна висина на рамнотежата или, алтернативно, отклонување на пружината (1-ти). Овој тип на пружина често се нарекува бистабилна (видео подолу).

На сликата 1d ги прикажува геометриските параметри кои водат до формирање на бистабилна пружина и параметрите кои водат до формирање на моностабилна пружина за n=12.

Бистабилна пружина може да застане на една од нејзините рамнотежни позиции во отсуство на надворешни оптоварувања и може да се активира за да се префрла меѓу нив кога е достапна соодветната количина на енергија. Токму ова својство е основата на оваа студија, која го испитува создавањето на механичките прекинувачи Крослинг (KIMS од Механички прекинувачи инспирирани од Креслинг) со две бинарни состојби.

Особено, како што е прикажано во 1c, прекинувачот може да се активира за да премине помеѓу неговите две состојби со снабдување доволно енергија за надминување на потенцијалната бариера (∆E). Енергијата може да се испорача во форма на бавно квази-статичко активирање или со примена на хармоничен сигнал на основата на прекинувачот со фреквенција на возбудување блиска до локалната резонантна фреквенција на прекинувачот во неговите различни состојби на рамнотежа. Во оваа студија, беше одлучено да се користи втората опција, бидејќи хармоничната резонантна операција е супериорна во однос на квазистатичката операција во некои аспекти.

Прво, резонантното активирање бара помала сила за префрлување и генерално е побрзо. Второ, резонантното префрлување е нечувствително на надворешни пречки кои не резонираат со прекинувачот во неговите локални состојби. Трето, бидејќи потенцијалната функција на прекинувачот е обично асиметрична во однос на нестабилната точка на рамнотежа U0, карактеристиките на хармониското возбудување потребни за префрлување од S0 на S1 обично се различни од оние потребни за префрлување од S1 во S0, што резултира со можност за бинарно префрлување со селективно возбудување.

Оваа конфигурација на KIMS е идеална за создавање на мулти-битна механичка мемориска плоча со користење на повеќе бинарни прекинувачи со различни карактеристики поставени на една хармонично управувана платформа. Создавањето на таков уред се должи на чувствителноста на обликот на функцијата на потенцијалната енергија на прекинувачот на промените во геометриските параметри на главните панели (1).

Следствено, повеќе KIMS со различни дизајнерски карактеристики може да се постават на иста платформа и да се возбудат за премин од една во друга состојба, поединечно или во комбинација со користење на различни групи на параметри за возбудување.

Во фазата на практично тестирање, направен е прекинувач од хартија со густина од 180 g/m2 со геометриски параметри: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm и n = 12. Ова се параметрите, судејќи според пресметките (1d), и да доведе до тоа добиената пролет да биде бистабилна. Пресметките беа извршени со користење на поедноставен модел на аксијална бандаж (структура на прачка) на мевот.

Со помош на ласер, на парче хартија беа направени перфорирани линии (1), кои се преклопни места. Потоа беа направени набори по должината на рабовите b0 (закривени нанадвор) и γ0 (закривени навнатре), а рабовите на далечните краеви беа цврсто споени. Горната и долната површина на прекинувачот се зајакнати со акрилни полигони.

Кривата на силата за враќање на прекинувачот беше добиена експериментално преку тестови за компресија и истегнување извршени на универзална машина за тестирање со специјално поставување што овозможува основата да се ротира за време на тестовите (1f).

Краевите на полигонот на акрилниот прекинувач беа цврсто фиксирани, а контролираното поместување беше применето на горниот полигон со целна брзина од 0.1 mm/s. Затегнувачките и компресивните поместувања се применуваа циклично и беа ограничени на 13 mm. Непосредно пред вистинското тестирање на уредот, прекинувачот се прилагодува со изведување на десет такви циклуси на оптоварување пред да се запише силата на враќање со помош на оптоварување 50N. На 1g ја покажува кривата на силата на враќање на прекинувачот добиена експериментално.

Следно, со интегрирање на просечната сила за враќање на прекинувачот во опсегот на работа, функцијата на потенцијална енергија (1h). Минимумите во функцијата на потенцијална енергија претставуваат статички рамнотежи поврзани со двете прекинувачки состојби (S0 и S1). За оваа конкретна конфигурација, S0 и S1 се појавуваат на височини на распоредување u = 48 mm и 58.5 mm, соодветно. Функцијата на потенцијална енергија е јасно асиметрична со различни енергетски бариери ∆E0 во точката S0 и ∆E1 во точката S1.

Прекинувачите беа поставени на електродинамички шејкер, кој обезбедува контролирано возбудување на основата во аксијален правец. Како одговор на возбудувањето, горната површина на прекинувачот осцилира во вертикална насока. Позицијата на горната површина на прекинувачот во однос на основата беше измерена со помош на ласерски виброметар (2).

Слика бр. 2

Откриено е дека локалната резонантна фреквенција на прекинувачот за неговите две состојби е 11.8 Hz за S0 и 9.7 Hz за S1. Да се ​​иницира транзиција помеѓу две состојби, односно излез од потенцијален бунар *, беше извршено многу бавно (0.05 Hz/s) двонасочно линеарно фреквентно чистење околу идентификуваните фреквенции со базно забрзување од 13 ms-2. Поточно, KIMS првично беше позициониран на S0, а зголемувањето на фреквенцијата беше иницирано на 6 Hz.

Потенцијален бунар * - регионот каде што има локален минимум од потенцијалната енергија на честичката.

Како што се гледа на 2bКога фреквенцијата на возење достигнува приближно 7.8 Hz, прекинувачот го напушта бунарот на потенцијалот S0 и влегува во бунарот на потенцијалот S1. Прекинувачот продолжи да остане во S1 додека фреквенцијата дополнително се зголемуваше.

Прекинувачот потоа беше повторно поставен на S0, но овој пат падот беше инициран на 16 Hz. Во овој случај, кога фреквенцијата се приближува до 8.8 Hz, прекинувачот го напушта S0 и влегува и останува во потенцијалниот бунар S1.

Состојбата S0 има опсег на активирање од 1 Hz [7.8, 8.8] со забрзување од 13 ms-2, а S1 - 6...7.7 Hz (2-ти). Следи дека KIMS може селективно да се префрла помеѓу две состојби преку хармонично возбудување на база со иста големина, но различна фреквенција.

Пропусниот опсег на префрлување на KIMS има комплексна зависност од обликот на неговата потенцијална енергетска функција, карактеристиките на амортизацијата и параметрите на хармонично возбудување (фреквенција и големина). Дополнително, поради омекнувачкото нелинеарно однесување на прекинувачот, пропусниот опсег на активирање не мора да ја вклучува линеарната резонантна фреквенција. Затоа, важно е мапата за активирање на прекинувачот да се креира за секој KIMS поединечно. Оваа карта се користи за карактеризирање на фреквенцијата и големината на возбудувањето што резултира со префрлување од една во друга состојба и обратно.

Таквата карта може да се создаде експериментално со фреквенција на различни нивоа на возбуда, но овој процес е многу трудоинтензивен. Затоа, научниците одлучија во оваа фаза да преминат на моделирање на прекинувачот, користејќи ја функцијата на потенцијална енергија одредена за време на експериментите (1h).

Моделот претпоставува дека динамичкото однесување на прекинувачот може добро да се приближи со динамиката на асиметричен бистабилен Helmholtz-Duffing осцилатор, чија равенка на движење може да се изрази на следниов начин:

каде што u — отстапување на подвижното лице на акрилниот многуаголник во однос на фиксираниот; m — ефективна маса на прекинувачот; c — коефициент на вискозно амортизирање определен експериментално; ais-бистабилни коефициенти на сила за враќање; ab и Ω се основната големина и фреквенцијата на забрзување.

Главната задача на симулацијата е да се користи оваа формула за да се воспостават комбинации на ab и Ω кои овозможуваат префрлување помеѓу две различни состојби.

Научниците забележуваат дека критичните фреквенции на возбудување во кои бистабилен осцилатор преминува од една состојба во друга може да се приближат со две фреквенции бифуркации *: периодична двојна бифуркација (PD) и циклична преклопна бифуркација (CF).

Бифуркација* — квалитативна промена на системот со промена на параметрите од кои зависи.

Користејќи ја апроксимацијата, беа конструирани криви на одговор на фреквенција на KIMS во неговите две состојби. На табелата 2 ги прикажува кривите на одговорот на фреквенцијата на прекинувачот на S0 за две различни нивоа на базно забрзување.

При базно забрзување од 5 ms-2, кривата амплитуда-фреквенција покажува мало омекнување, но без нестабилност или бифуркации. Така, прекинувачот останува во состојба S0 без разлика како се менува фреквенцијата.

Меѓутоа, кога основното забрзување е зголемено на 13 ms-2, стабилноста се намалува поради бифуркацијата на PD како што се намалува фреквенцијата на возење.

Користејќи ја истата шема, добиени се кривите на одговорот на фреквенцијата на прекинувачот во S1 (2f). При забрзување од 5 ms-2, набљудуваната шема останува иста. Меѓутоа, како што основното забрзување се зголемува на 10ms-2 Се појавуваат бифуркации на PD и CF. Возбудувањето на прекинувачот на која било фреквенција помеѓу овие две бифуркации резултира со префрлување од S1 на S0.

Податоците за симулација сугерираат дека постојат големи региони во мапата за активирање во кои секоја состојба може да се активира на единствен начин. Ова ви овозможува селективно да се префрлате помеѓу две состојби во зависност од фреквенцијата и големината на активирањето. Исто така, може да се види дека постои област каде што двете состојби можат да се префрлаат истовремено.

Слика бр. 3

Комбинација од неколку KIMS може да се користи за да се создаде механичка меморија од неколку битови. Со менување на геометријата на прекинувачот така што обликот на функцијата за потенцијална енергија на кои било два прекинувачи е доволно различен, можно е да се дизајнира пропусниот опсег на активирање на прекинувачите така што тие да не се преклопуваат. Поради ова, секој прекинувач ќе има единствени параметри за возбудување.

За да се демонстрира оваа техника, беше креирана 2-битна табла врз основа на два прекинувачи со различни потенцијални карактеристики (3): бит 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm и n = 12; бит 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm и n = 12.

Бидејќи секој бит има две состојби, може да се постигнат вкупно четири различни состојби S00, S01, S10 и S11 (3b). Броевите по S ја означуваат вредноста на левиот (бит 1) и десен (бит 2) прекинувач.

Однесувањето на 2-битен прекинувач е прикажано на видеото подолу:

Врз основа на овој уред, можете исто така да креирате кластер на прекинувачи, што може да биде основа на мулти-битни механички мемориски табли.

За подетално запознавање со нијансите на студијата, препорачувам да погледнете известуваат научниците и Дополнителни материјали до него.

Епилог

Малку е веројатно дека некој од креаторите на оригами би можел да замисли како нивното создавање ќе се користи во современиот свет. Од една страна, ова укажува на голем број сложени елементи скриени во обични хартиени фигури; од друга страна, дека модерната наука е способна да ги искористи овие елементи за да создаде нешто сосема ново.

Во оваа работа, научниците можеа да ја искористат геометријата на оригами на Крслинг за да создадат едноставен механички прекинувач кој може да биде во две различни состојби, во зависност од влезните параметри. Ова може да се спореди со 0 и 1, кои се класични единици на информации.

Добиените уреди беа комбинирани во механички мемориски систем способен да складира 2 бита. Знаејќи дека една буква зафаќа 8 бита (1 бајт), се поставува прашањето: колку слични оригами ќе бидат потребни за да се напише „Војна и мир“, на пример.

Научниците се добро свесни за скептицизмот што може да го предизвика нивниот развој. Сепак, според нив, ова истражување е истражување во областа на механичката меморија. Покрај тоа, оригамито што се користи во експериментите не треба да биде големо; нивните димензии може значително да се намалат без да се загрозат нивните својства.

Како и да е, ова дело не може да се нарече обично, банално или досадно. Науката не секогаш се користи за да се развие нешто специфично, а научниците не секогаш првично знаат што точно создаваат. На крајот на краиштата, повеќето пронајдоци и откритија беа резултат на едноставно прашање - што ако?

Ви благодариме за читањето, останете љубопитни и имајте одличен викенд момци! 🙂

Малку рекламирање

Ви благодариме што останавте со нас. Дали ви се допаѓаат нашите написи? Сакате да видите поинтересна содржина? Поддржете не со нарачка или препорака на пријатели, облак VPS за програмери од 4.99 долари, уникатен аналог на сервери на почетно ниво, кој беше измислен од нас за вас: Целата вистина за VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 јадра) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps од 19 долари или како да споделите сервер? (достапен со RAID1 и RAID10, до 24 јадра и до 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 пати поевтин во центарот за податоци Equinix Tier IV во Амстердам? Само овде 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 телевизор од 199 долари во Холандија! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - од 99 долари! Прочитајте за Како да се изгради инфраструктурна корп. класа со употреба на сервери Dell R730xd E5-2650 v4 вредни 9000 евра за денар?

Извор: www.habr.com