"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - hva har disse representantene for populærkulturen til felles? Alle, i en eller annen grad, har den eldgamle japanske kunsten med papirbretting - origami. I filmer, spill og i det virkelige liv brukes origami ofte som et symbol på visse følelser, noen minner eller et unikt budskap. Dette er mer en følelsesmessig komponent av origami, men fra et vitenskapelig synspunkt er mange interessante aspekter fra en rekke områder skjult i papirfigurer: geometri, matematikk og til og med mekanikk. I dag skal vi bli kjent med en studie der forskere fra American Institute of Physics laget en datalagringsenhet ved å brette/utfolde origamifigurer. Hvordan fungerer et papirminnekort, hvilke prinsipper er implementert i det, og hvor mye data kan en slik enhet lagre? Vi finner svar på disse spørsmålene i forskernes rapport. Gå.
Grunnlaget for studien
Det er vanskelig å si når nøyaktig origami oppsto. Men vi vet med sikkerhet at ikke tidligere enn 105 e.Kr. Det var i år at Cai Lun oppfant papir i Kina. Selvfølgelig, før dette øyeblikket, eksisterte papir allerede, men det var ikke laget av tre, men av bambus eller silke. Det første alternativet var ikke lett, og det andre var ekstremt dyrt. Cai Lun fikk i oppgave å komme med en ny oppskrift på papir som skulle være lett, billig og enkelt å lage. Oppgaven er ikke lett, men Cai Lun henvendte seg til den mest populære inspirasjonskilden - naturen. I lang tid observerte han veps, hvis hjem var laget av tre og plantefibre. Tsai Lun utførte mange eksperimenter der han brukte en rekke materialer for fremtidig papir (trebark, aske og til og med fiskegarn) blandet med vann. Den resulterende massen ble lagt ut i en spesiell form og tørket i solen. Resultatet av dette kolossale verket var et objekt som er prosaisk for det moderne mennesket - papir.
I 2001 ble en park oppkalt etter Cai Lun åpnet i byen Leiyang (Kina).
Spredningen av papir til andre land skjedde ikke umiddelbart; først på begynnelsen av XNUMX-tallet nådde oppskriften Korea og Japan, og papir nådde Europa først på XNUMX-XNUMX-tallet.
Den mest åpenbare bruken av papir er selvfølgelig manuskripter og trykking. Japanerne fant imidlertid en mer elegant bruk for det - origami, dvs. brette papirfigurer.
En kort utflukt inn i verden av origami og ingeniørkunst.
Det er et stort utvalg av origami-alternativer, så vel som teknikkene for å lage dem: enkel origami, kusudama (modulær), våtfolding, mønsterorigami, kirigami, etc. ()
Fra et vitenskapelig synspunkt er origami et mekanisk metamateriale hvis egenskaper bestemmes av dets geometri, og ikke av egenskapene til materialet det er laget av. Det har blitt demonstrert i ganske lang tid at allsidige XNUMXD-distribuerbare strukturer med unike egenskaper kan lages ved å bruke repeterende origamimønstre.
Bilde #1
På bildet 1b viser et eksempel på en slik struktur - en utplasserbar belg, bygget av et enkelt ark i henhold til diagrammet på 1a. Fra de tilgjengelige origami-alternativene har forskere identifisert en variant der en mosaikk av identiske trekantede paneler arrangert i syklisk symmetri, kjent som Kroesling-origami, er implementert.
Det er viktig å merke seg at origami-baserte strukturer kommer i to typer: stive og ikke-stive.
Rigid origami er en tredimensjonal struktur der bare foldene mellom panelene gjennomgår deformasjon under utfolding.
Et bemerkelsesverdig eksempel på stiv origami er Miura-ori, brukt til å lage mekaniske metamaterialer med negativt Poissons forhold. Slikt materiale har et bredt spekter av bruksområder: romutforskning, deformerbar elektronikk, kunstige muskler og, selvfølgelig, omprogrammerbare mekaniske metamaterialer.
Ikke-stiv origami er tredimensjonale strukturer som viser ikke-stiv elastisk deformasjon av paneler mellom folder under utfolding.
Et eksempel på en slik origamivariant er det tidligere nevnte Kroesling-mønsteret, som med hell har blitt brukt til å lage strukturer med avstembar multistabilitet, stivhet, deformasjon, mykning/herding og/eller nær null stivhet.
Forskningsresultater
Inspirert av gammel kunst bestemte forskerne seg for å bruke Kroeslings origami til å utvikle en klynge av mekaniske binære brytere som kan tvinges til å bytte mellom to forskjellige statiske tilstander ved å bruke en enkelt kontrollert inngang i form av en harmonisk eksitasjon påført bunnen av bryteren. .
Som sett fra 1b, er belgen festet i den ene enden og utsatt for en ytre belastning i x-retningen i den andre frie enden. På grunn av dette gjennomgår den samtidig avbøyning og rotasjon langs og rundt x-aksen. Energien akkumulert under deformasjonen av belgen frigjøres når den ytre belastningen fjernes, noe som får belgen til å gå tilbake til sin opprinnelige form.
Enkelt sagt ser vi på en torsjonsfjær hvis gjenopprettingskraft avhenger av formen på belgens potensielle energifunksjon. Dette avhenger igjen av de geometriske parameterne (a0, b0, γ0) til den sammensatte trekanten som brukes til å konstruere belgen, samt det totale antallet (n) av disse trekantene (1a).
For en viss kombinasjon av geometriske designparametere har belgens potensielle energifunksjon et enkelt minimum som tilsvarer ett stabilt likevektspunkt. For andre kombinasjoner har den potensielle energifunksjonen to minima som tilsvarer to stabile statiske belgkonfigurasjoner, hver assosiert med en annen likevektshøyde eller alternativt fjæravbøyning (1s). Denne typen fjær kalles ofte bistabil (video nedenfor).
På bildet 1d viser de geometriske parametrene som fører til dannelsen av en bistabil fjær og parametrene som fører til dannelsen av en monostabil fjær for n=12.
En bistabil fjær kan stoppe ved en av sine likevektsposisjoner i fravær av eksterne belastninger og kan aktiveres for å bytte mellom dem når riktig mengde energi er tilgjengelig. Det er denne egenskapen som er grunnlaget for denne studien, som undersøker etableringen av Kroesling mekaniske brytere (KIMS fra Kresling-inspirerte mekaniske brytere) med to binære tilstander.
Spesielt, som vist i 1c, kan bryteren aktiveres for overgang mellom de to tilstandene ved å tilføre nok energi til å overvinne den potensielle barrieren (∆E). Energien kan tilføres i form av langsom kvasi-statisk aktivering eller ved å påføre et harmonisk signal til bunnen av bryteren med en eksitasjonsfrekvens nær den lokale resonansfrekvensen til bryteren i dens forskjellige likevektstilstander. I denne studien ble det besluttet å bruke det andre alternativet, siden harmonisk resonansoperasjon er overlegen kvasistatisk drift i noen henseender.
For det første krever resonansaktivering mindre kraft for å bytte og er generelt raskere. For det andre er resonanssvitsjing ufølsom for eksterne forstyrrelser som ikke resonerer med bryteren i dens lokale stater. For det tredje, siden den potensielle funksjonen til bryteren vanligvis er asymmetrisk med hensyn til det ustabile likevektspunktet U0, er de harmoniske eksitasjonskarakteristikkene som kreves for å bytte fra S0 til S1 vanligvis forskjellige fra de som kreves for å bytte fra S1 til S0, noe som resulterer i muligheten for eksitasjonsselektiv binær svitsjing.
Denne KIMS-konfigurasjonen er ideell for å lage et multi-bits mekanisk minnekort ved å bruke flere binære brytere med forskjellige egenskaper plassert på en enkelt harmonisk drevet plattform. Opprettelsen av en slik enhet skyldes følsomheten til formen til den potensielle energifunksjonen til bryteren for endringer i de geometriske parametrene til hovedpanelene (1-tallet).
Følgelig kan flere KIMS med forskjellige designegenskaper plasseres på samme plattform og begeistres til overgang fra en tilstand til en annen, individuelt eller i kombinasjon ved bruk av forskjellige sett med eksitasjonsparametere.
På stadiet med praktisk testing ble det laget en bryter fra papir med en tetthet på 180 g/m2 med geometriske parametere: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm og n = 12. Dette er parametrene, bedømt etter beregningene (1d), og føre til at den resulterende fjæren er bistabil. Beregningene ble utført ved bruk av en forenklet modell av belgens aksiale fagverk (stavstruktur).
Ved hjelp av en laser ble det laget perforerte linjer på et stykke papir (1a), som er sammenleggbare steder. Bretter ble deretter laget langs kantene b0 (buet utover) og γ0 (buet innover), og kantene på de ytre endene ble tett sammenføyd. Topp- og bunnflatene på bryteren er forsterket med akrylpolygoner.
Gjenopprettingskraftkurven til bryteren ble oppnådd eksperimentelt gjennom kompresjons- og strekktester utført på en universell testmaskin med et spesielt oppsett som gjør at basen kan roteres under testene (1f).
Endene av akrylbryterpolygonen var stivt festet, og en kontrollert forskyvning ble påført den øverste polygonen med en målhastighet på 0.1 mm/s. Strekk- og trykkforskyvninger ble påført syklisk og begrenset til 13 mm. Rett før selve testingen av enheten justeres bryteren ved å utføre ti slike belastningssykluser før gjenopprettingskraften registreres ved hjelp av en 50N lastcelle. På 1g viser gjenopprettingskraftkurven til bryteren oppnådd eksperimentelt.
Deretter, ved å integrere den gjennomsnittlige gjenopprettingskraften til bryteren over driftsområdet, kan den potensielle energifunksjonen (1h). Minima i den potensielle energifunksjonen representerer statiske likevekter assosiert med de to brytertilstandene (S0 og S1). For denne spesielle konfigurasjonen forekommer S0 og S1 ved utplasseringshøyder u = 48 mm og 58.5 mm, henholdsvis. Den potensielle energifunksjonen er tydelig asymmetrisk med forskjellige energibarrierer ∆E0 ved punkt S0 og ∆E1 ved punkt S1.
Bryterne ble plassert på en elektrodynamisk shaker, som gir kontrollert eksitasjon av basen i aksial retning. Som svar på eksitasjon svinger den øvre overflaten av bryteren i vertikal retning. Posisjonen til den øvre overflaten av bryteren i forhold til basen ble målt ved hjelp av et laservibrometer (2a).
Bilde #2
Det ble funnet at den lokale resonansfrekvensen til bryteren for dens to tilstander er 11.8 Hz for S0 og 9.7 Hz for S1. Å sette i gang en overgang mellom to tilstander, det vil si en utgang fra potensiell brønn*, ble et veldig sakte (0.05 Hz/s) toveis lineært frekvenssveip utført rundt de identifiserte frekvensene med en basisakselerasjon på 13 ms-2. Nærmere bestemt ble KIMS opprinnelig plassert ved S0 og det økende frekvenssveipet ble initiert ved 6 Hz.
Potensiell brønn* - regionen der det er et lokalt minimum av partikkelens potensielle energi.
Som sett på 2bNår kjørefrekvensen når omtrent 7.8 Hz, forlater bryteren S0-potensialbrønnen og går inn i S1-potensialbrønnen. Bryteren fortsatte å forbli i S1 ettersom frekvensen økte ytterligere.
Bryteren ble så satt til S0 igjen, men denne gangen ble nedsveipet initiert ved 16 Hz. I dette tilfellet, når frekvensen nærmer seg 8.8 Hz, forlater bryteren S0 og går inn og forblir i den potensielle brønnen S1.
Tilstand S0 har et aktiveringsbånd på 1 Hz [7.8, 8.8] med en akselerasjon på 13 ms-2, og S1 - 6...7.7 Hz (2s). Det følger at KIMS kan selektivt bytte mellom to tilstander gjennom harmonisk eksitasjon av en base av samme størrelse, men forskjellig frekvens.
Svitsjebåndbredden til en KIMS har en kompleks avhengighet av formen på dens potensielle energifunksjon, dempningsegenskaper og harmoniske eksitasjonsparametere (frekvens og størrelse). I tillegg, på grunn av den mykere ikke-lineære oppførselen til bryteren, inkluderer ikke aktiveringsbåndbredden nødvendigvis den lineære resonansfrekvensen. Derfor er det viktig at bryteraktiveringskartet opprettes for hver KIMS individuelt. Dette kartet brukes til å karakterisere frekvensen og størrelsen på eksitasjonen som resulterer i å bytte fra en tilstand til en annen og omvendt.
Et slikt kart kan lages eksperimentelt ved frekvenssveiping ved forskjellige eksitasjonsnivåer, men denne prosessen er svært arbeidskrevende. Derfor bestemte forskere på dette stadiet å gå videre til å modellere bryteren ved å bruke den potensielle energifunksjonen som ble bestemt under eksperimentene (1h).
Modellen antar at den dynamiske oppførselen til bryteren kan tilnærmes godt av dynamikken til en asymmetrisk bistabil Helmholtz – Duffing-oscillator, hvis bevegelsesligning kan uttrykkes som følger:
der u — avvik av den bevegelige overflaten til akrylpolygonen i forhold til den faste; m — bryterens effektive masse; c — viskøs dempningskoeffisient bestemt eksperimentelt; ais—bistabile gjenopprettingskraftkoeffisienter; ab og Ω er grunnstørrelsen og akselerasjonsfrekvensen.
Simuleringens hovedoppgave er å bruke denne formelen til å etablere kombinasjoner av ab og Ω som tillater veksling mellom to forskjellige tilstander.
Forskere bemerker at de kritiske eksitasjonsfrekvensene som en bistabil oscillator går over fra en tilstand til en annen kan tilnærmes med to frekvenser bifurkasjoner*: periodedoblingsbifurkasjon (PD) og syklisk foldbifurkasjon (CF).
Bifurkasjon* — kvalitativ endring av systemet ved å endre parametrene det avhenger av.
Ved å bruke tilnærmingen ble frekvensresponskurver til KIMS konstruert i de to tilstandene. På diagrammet 2-tallet viser frekvensresponskurvene til bryteren ved S0 for to forskjellige basisakselerasjonsnivåer.
Ved en basisakselerasjon på 5 ms-2 viser amplitude-frekvenskurven en liten oppmykning, men ingen ustabilitet eller bifurkasjoner. Dermed forblir bryteren i S0-tilstand uansett hvordan frekvensen endres.
Men når basisakselerasjonen økes til 13 ms-2, reduseres stabiliteten på grunn av PD-bifurkasjon når kjørefrekvensen reduseres.
Ved å bruke det samme skjemaet ble frekvensresponskurver for bryteren i S1 oppnådd (2f). Ved en akselerasjon på 5 ms-2 forblir det observerte mønsteret det samme. Imidlertid øker grunnakselerasjonen til 10ms-2 PD- og CF-bifurkasjoner vises. Å begeistre bryteren ved en hvilken som helst frekvens mellom disse to bifurkasjonene resulterer i en bytte fra S1 til S0.
Simuleringsdataene antyder at det er store områder i aktiveringskartet der hver tilstand kan aktiveres på en unik måte. Dette lar deg selektivt bytte mellom to tilstander avhengig av frekvensen og størrelsen på utløseren. Det kan også sees at det er et område hvor begge stater kan bytte samtidig.
Bilde #3
En kombinasjon av flere KIMS kan brukes til å lage et mekanisk minne med flere biter. Ved å variere brytergeometrien slik at formen på den potensielle energifunksjonen til hvilke som helst to brytere er tilstrekkelig forskjellig, er det mulig å designe aktiveringsbåndbredden til bryterne slik at de ikke overlapper. På grunn av dette vil hver bryter ha unike eksitasjonsparametere.
For å demonstrere denne teknikken ble det laget et 2-bitskort basert på to brytere med forskjellige potensielle egenskaper (3a): bit 1 - y0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm og n = 12; bit 2 - y0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm og n = 12.
Siden hver bit har to tilstander, kan totalt fire forskjellige tilstander S00, S01, S10 og S11 oppnås (3b). Tallene etter S indikerer verdien av venstre (bit 1) og høyre (bit 2) brytere.
Oppførselen til en 2-bits svitsj vises i videoen nedenfor:
Basert på denne enheten kan du også lage en klynge av brytere, som kan være grunnlaget for flerbits mekaniske minnekort.
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på и til ham.
Epilog
Det er usannsynlig at noen av skaperne av origami kunne forestille seg hvordan skapelsen deres ville bli brukt i den moderne verden. På den ene siden indikerer dette et stort antall komplekse elementer skjult i vanlige papirfigurer; på den annen side at moderne vitenskap er i stand til å bruke disse elementene til å skape noe helt nytt.
I dette arbeidet var forskere i stand til å bruke Kroeslings origami-geometri for å lage en enkel mekanisk bryter som kan være i to forskjellige tilstander, avhengig av inngangsparametrene. Dette kan sammenlignes med 0 og 1, som er de klassiske informasjonsenhetene.
De resulterende enhetene ble kombinert til et mekanisk minnesystem som var i stand til å lagre 2 biter. Når du vet at en bokstav tar opp 8 bits (1 byte), oppstår spørsmålet: hvor mange lignende origami vil være nødvendig for å skrive "Krig og fred", for eksempel.
Forskere er godt klar over den skepsis utviklingen deres kan forårsake. Imidlertid, ifølge dem, er denne forskningen utforskning innen mekanisk minne. I tillegg bør origamien som brukes i eksperimentene ikke være stor; dimensjonene deres kan reduseres betydelig uten at det går på bekostning av egenskapene deres.
Uansett, dette verket kan ikke kalles vanlig, banalt eller kjedelig. Vitenskap brukes ikke alltid til å utvikle noe spesifikt, og forskerne vet ikke alltid i utgangspunktet nøyaktig hva de skaper. Tross alt var de fleste oppfinnelser og funn resultatet av et enkelt spørsmål - hva om?
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott helg folkens! 🙂
Litt reklame
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, , en unik analog av entry-level servere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x billigere i Equinix Tier IV datasenter i Amsterdam? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com