„Blade Runner”, „Con Air”, „Heavy Rain” - ce au în comun acești reprezentanți ai culturii populare? Toate, într-o măsură sau alta, prezintă vechea artă japoneză a plierii hârtiei - origami. În filme, jocuri și în viața reală, origami este adesea folosit ca simbol al anumitor sentimente, al unor amintiri sau al unui mesaj unic. Aceasta este mai mult o componentă emoțională a origami, dar din punct de vedere științific, multe aspecte interesante dintr-o varietate de domenii sunt ascunse în figurile de hârtie: geometrie, matematică și chiar mecanică. Astăzi ne vom familiariza cu un studiu în care oamenii de știință de la Institutul American de Fizică au creat un dispozitiv de stocare a datelor prin plierea/desfacerea figurilor origami. Cum funcționează exact un card de memorie de hârtie, ce principii sunt implementate în el și câte date poate stoca un astfel de dispozitiv? Vom găsi răspunsuri la aceste întrebări în raportul oamenilor de știință. Merge.
Baza cercetării
Este dificil de spus când a apărut exact origami. Dar știm cu siguranță că nu mai devreme de anul 105 d.Hr. În acest an, Cai Lun a inventat hârtia în China. Desigur, înainte de acest moment, hârtia exista deja, dar nu era făcută din lemn, ci din bambus sau mătase. Prima variantă nu a fost ușoară, iar a doua a fost extrem de scumpă. Cai Lun a fost însărcinat să vină cu o nouă rețetă de hârtie care să fie ușoară, ieftină și ușor de făcut. Sarcina nu este ușoară, dar Cai Lun a apelat la cea mai populară sursă de inspirație - natura. Multă vreme a observat viespi, ale căror case erau făcute din lemn și fibre vegetale. Tsai Lun a efectuat multe experimente în care a folosit o varietate de materiale pentru viitoarea hârtie (coarță de copac, cenușă și chiar plase de pescuit) amestecate cu apă. Masa rezultată a fost așezată într-o formă specială și uscată la soare. Rezultatul acestei lucrări colosale a fost un obiect care este prozaic pentru omul modern - hârtia.
În 2001, un parc numit după Cai Lun a fost deschis în orașul Leiyang (China).
Răspândirea hârtiei în alte țări nu a avut loc imediat; abia la începutul secolului al VII-lea rețeta ei a ajuns în Coreea și Japonia, iar hârtia a ajuns în Europa abia în secolele XI-XII.
Cea mai evidentă utilizare a hârtiei este, desigur, manuscrisele și tipărirea. Cu toate acestea, japonezii i-au găsit o utilizare mai elegantă - origami, adică. plierea figurilor din hârtie.
O scurtă excursie în lumea origami și a ingineriei.
Există o mare varietate de opțiuni de origami, precum și tehnici de realizare a acestora: origami simplu, kusudama (modular), pliere umedă, origami model, kirigami etc. ()
Din punct de vedere științific, origami este un metamaterial mecanic ale cărui proprietăți sunt determinate de geometria sa, și nu de proprietățile materialului din care este realizat. S-a demonstrat de ceva timp că structurile versatile 3D implementabile cu proprietăți unice pot fi create folosind modele origami repetate.
Imaginea #1
Pe imagine 1b prezintă un exemplu de astfel de structură - un burduf desfășurabil, construit dintr-o singură foaie de hârtie conform diagramei de pe 1a. Dintre opțiunile de origami disponibile, oamenii de știință au identificat o variantă în care este implementat un mozaic de panouri triunghiulare identice dispuse în simetrie ciclică, cunoscut sub numele de origami Kroesling.
Este important de reținut că structurile bazate pe origami vin în două tipuri: rigide și non-rigide.
Origami rigid este o structură tridimensională în care doar pliurile dintre panouri suferă deformare în timpul desfășurării.
Un exemplu notabil de origami rigid este Miura-ori, folosit pentru a crea metamateriale mecanice cu raport negativ al lui Poisson. Un astfel de material are o gamă largă de aplicații: explorarea spațiului, electronică deformabilă, mușchi artificiali și, bineînțeles, metamateriale mecanice reprogramabile.
Origami nerigide sunt structuri tridimensionale care prezintă deformarea elastică nerigidă a panourilor între pliuri în timpul desfășurării.
Un exemplu de astfel de variantă de origami este modelul Kroesling menționat anterior, care a fost folosit cu succes pentru a crea structuri cu multi-stabilitate reglabilă, rigiditate, deformare, înmuiere/întărire și/sau rigiditate aproape de zero.
Rezultatele studiului
Inspirați de arta antică, oamenii de știință au decis să folosească origami-ul lui Kroesling pentru a dezvolta un grup de comutatoare binare mecanice care pot fi forțate să comute între două stări statice diferite folosind o singură intrare controlată sub forma unei excitații armonice aplicate la baza comutatorului. .
După cum se vede din 1b, burduful este fixat la un capăt și supus unei sarcini exterioare în direcția x la celălalt capăt liber. Datorită acestui fapt, suferă o deviere și rotație simultană de-a lungul și în jurul axei x. Energia acumulată în timpul deformării burdufului este eliberată atunci când sarcina externă este îndepărtată, ceea ce face ca burduful să revină la forma sa inițială.
Mai simplu spus, ne uităm la un arc de torsiune a cărui putere de restabilire depinde de forma funcției de energie potențială a burdufului. Aceasta, la rândul său, depinde de parametrii geometrici (a0, b0, γ0) ai triunghiului compus utilizat pentru construirea burdufurilor, precum și de numărul total (n) al acestor triunghiuri (1a).
Pentru o anumită combinație de parametri geometrici de proiectare, funcția de energie potențială a burdufului are un singur minim corespunzător unui punct de echilibru stabil. Pentru alte combinații, funcția de energie potențială are două minime corespunzătoare la două configurații stabile de burduf statice, fiecare asociată cu o înălțime de echilibru diferită sau, alternativ, deformarea arcului (1s). Acest tip de arc este adesea numit bistabil (video de mai jos).
Pe imagine 1d prezintă parametrii geometrici care conduc la formarea unui arc bistabil și parametrii care conduc la formarea unui arc monostabil pentru n=12.
Un arc bistabil se poate opri la una dintre pozițiile sale de echilibru în absența sarcinilor externe și poate fi activat pentru a comuta între ele atunci când este disponibilă cantitatea adecvată de energie. Această proprietate stă la baza acestui studiu, care examinează crearea întrerupătoarelor mecanice Kroesling (KIMS de la Întrerupătoare mecanice inspirate de Kresling) cu două stări binare.
În special, așa cum se arată în 1c, comutatorul poate fi activat pentru a trece între cele două stări ale sale prin furnizarea de energie suficientă pentru a depăși bariera de potențial (∆E). Energia poate fi furnizată sub formă de acționare cvasistatică lentă sau prin aplicarea unui semnal armonic la baza comutatorului cu o frecvență de excitare apropiată de frecvența de rezonanță locală a comutatorului în diferitele sale stări de echilibru. În acest studiu, sa decis să se utilizeze cea de-a doua opțiune, deoarece funcționarea rezonantă armonică este superioară funcționării cvasi-statice în unele privințe.
În primul rând, acționarea rezonantă necesită mai puțină forță pentru comutare și este în general mai rapidă. În al doilea rând, comutarea rezonantă este insensibilă la perturbațiile externe care nu rezonează cu comutatorul în stările sale locale. În al treilea rând, deoarece funcția potențială a comutatorului este de obicei asimetrică în raport cu punctul de echilibru instabil U0, caracteristicile de excitație armonică necesare pentru comutarea de la S0 la S1 sunt de obicei diferite de cele necesare pentru comutarea de la S1 la S0, rezultând posibilitatea ca comutare binară selectivă de excitație .
Această configurație KIMS este ideală pentru crearea unei plăci de memorie mecanică multi-biți folosind mai multe comutatoare binare cu caracteristici diferite plasate pe o singură platformă condusă de armonici. Crearea unui astfel de dispozitiv se datorează sensibilității formei funcției de energie potențială a comutatorului la modificările parametrilor geometrici ai panourilor principale (1e).
În consecință, mai multe KIMS cu caracteristici de proiectare diferite pot fi plasate pe aceeași platformă și excitate pentru a trece de la o stare la alta, individual sau în combinație folosind seturi diferite de parametri de excitație.
În etapa de testare practică, a fost creat un comutator din hârtie cu o densitate de 180 g/m2 cu parametri geometrici: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm și n = 12. Aceștia sunt parametrii, judecând după calcule (1d), și conduc la ca arcul rezultat să fie bistabil. Calculele au fost efectuate utilizând un model simplificat al structurii axiale (structura tijei) a burdufului.
Cu ajutorul unui laser, s-au făcut linii perforate pe o bucată de hârtie (1a), care sunt locuri de pliere. Au fost apoi făcute pliuri de-a lungul marginilor b0 (curbate spre exterior) și γ0 (curbate spre interior), iar marginile capetelor îndepărtate au fost strâns îmbinate. Suprafețele de sus și de jos ale comutatorului au fost întărite cu poligoane acrilice.
Curba forței de restabilire a comutatorului a fost obținută experimental prin teste de compresie și tracțiune efectuate pe o mașină de testare universală cu o configurație specială care permite rotirea bazei în timpul testelor (1f).
Capetele poligonului comutator acrilic au fost fixate rigid și s-a aplicat o deplasare controlată poligonului superior la o viteză țintă de 0.1 mm/s. Deplasările de tracțiune și compresiune au fost aplicate ciclic și limitate la 13 mm. Chiar înainte de testarea efectivă a dispozitivului, comutatorul este reglat prin efectuarea a zece astfel de cicluri de sarcină înainte ca forța de restabilire să fie înregistrată folosind o celulă de sarcină de 50 N. Pe 1g arată curba forței de restabilire a comutatorului obținut experimental.
În continuare, prin integrarea forței medii de restabilire a comutatorului în domeniul de funcționare, funcția de energie potențială (1h). Minimele din funcția de energie potențială reprezintă echilibre statice asociate cu cele două stări de comutare (S0 și S1). Pentru această configurație particulară, S0 și S1 apar la înălțimi de desfășurare u = 48 mm și, respectiv, 58.5 mm. Funcția de energie potențială este clar asimetrică cu diferite bariere energetice ∆E0 în punctul S0 și ∆E1 în punctul S1.
Întrerupătoarele au fost plasate pe un agitator electrodinamic, care asigură excitarea controlată a bazei în direcția axială. Ca răspuns la excitație, suprafața superioară a comutatorului oscilează într-o direcție verticală. Poziția suprafeței superioare a comutatorului față de bază a fost măsurată folosind un vibrometru laser (2a).
Imaginea #2
S-a constatat că frecvența de rezonanță locală a comutatorului pentru cele două stări ale sale este de 11.8 Hz pentru S0 și 9.7 Hz pentru S1. Pentru a iniția o tranziție între două stări, adică o ieșire din bine potential*, a fost efectuată o frecvență liniară bidirecțională foarte lentă (0.05 Hz/s) în jurul frecvențelor identificate cu o accelerație de bază de 13 ms-2. Mai exact, KIMS a fost poziționat inițial la S0 și creșterea frecvenței a fost inițiată la 6 Hz.
Fântână potențială* - regiunea în care există un minim local al energiei potențiale a particulei.
După cum se vede pe 2bCând frecvența de antrenare atinge aproximativ 7.8 Hz, comutatorul părăsește puțul de potențial S0 și intră în puțul de potențial S1. Comutatorul a continuat să rămână în S1 pe măsură ce frecvența a crescut în continuare.
Comutatorul a fost apoi setat din nou la S0, dar de data aceasta trecerea în jos a fost inițiată la 16 Hz. În acest caz, când frecvența se apropie de 8.8 Hz, comutatorul părăsește S0 și intră și rămâne în puțul de potențial S1.
Starea S0 are o bandă de activare de 1 Hz [7.8, 8.8] cu o accelerație de 13 ms-2, iar S1 - 6...7.7 Hz (2s). Rezultă că KIMS poate comuta selectiv între două stări prin excitarea armonică a unei baze de aceeași mărime, dar cu frecvență diferită.
Lățimea de bandă de comutare a unui KIMS are o dependență complexă de forma funcției sale de energie potențială, de caracteristicile de amortizare și de parametrii de excitație armonică (frecvență și magnitudine). În plus, datorită comportamentului neliniar de înmuiere al comutatorului, lățimea de bandă de activare nu include neapărat frecvența de rezonanță liniară. Prin urmare, este important ca harta de activare a comutatorului să fie creată pentru fiecare KIMS în mod individual. Această hartă este folosită pentru a caracteriza frecvența și magnitudinea excitației care are ca rezultat trecerea de la o stare la alta și invers.
O astfel de hartă poate fi creată experimental prin măturarea în frecvență la diferite niveluri de excitație, dar acest proces necesită foarte multă muncă. Prin urmare, oamenii de știință au decis în această etapă să treacă la modelarea comutatorului, folosind funcția de energie potențială determinată în timpul experimentelor (1h).
Modelul presupune că comportamentul dinamic al comutatorului poate fi bine aproximat de dinamica unui oscilator Helmholtz-Duffing bistabil asimetric, a cărui ecuație de mișcare poate fi exprimată după cum urmează:
unde u — abaterea feței mobile a poligonului acrilic față de cea fixă; m — masa efectivă a comutatorului; c — coeficientul de amortizare vâscos determinat experimental; ais—coeficienți de forță de restabilire bistabili; ab și Ω sunt mărimea de bază și frecvența accelerației.
Sarcina principală a simulării este de a utiliza această formulă pentru a stabili combinații de ab și Ω care să permită comutarea între două stări diferite.
Oamenii de știință notează că frecvențele critice de excitare la care un oscilator bistabil trece de la o stare la alta pot fi aproximate cu două frecvențe. bifurcații*: bifurcația de dublare a perioadei (PD) și bifurcarea pliului ciclic (CF).
Bifurcare* — modificarea calitativă a sistemului prin modificarea parametrilor de care depinde acesta.
Folosind aproximarea, curbele de răspuns în frecvență ale KIMS au fost construite în cele două stări ale sale. Pe diagramă 2e arată curbele de răspuns în frecvență ale comutatorului la S0 pentru două niveluri diferite de accelerație de bază.
La o accelerație de bază de 5 ms-2, curba amplitudine-frecvență prezintă o ușoară înmuiere, dar fără instabilitate sau bifurcații. Astfel, comutatorul rămâne în starea S0 indiferent de modul în care se modifică frecvența.
Cu toate acestea, atunci când accelerația de bază este crescută la 13 ms-2, stabilitatea scade din cauza bifurcării PD pe măsură ce frecvența de antrenare scade.
Folosind aceeași schemă, s-au obținut curbele de răspuns în frecvență ale comutatorului din S1 (2f). La o accelerație de 5 ms-2, modelul observat rămâne același. Cu toate acestea, pe măsură ce accelerația de bază crește la 10 ms-2 Apar bifurcațiile PD și CF. Excitarea comutării la orice frecvență între aceste două bifurcații are ca rezultat o comutare de la S1 la S0.
Datele de simulare sugerează că există regiuni mari în harta de activare în care fiecare stare poate fi activată într-un mod unic. Acest lucru vă permite să comutați selectiv între două stări, în funcție de frecvența și magnitudinea declanșatorului. De asemenea, se poate observa că există o zonă în care ambele state pot comuta simultan.
Imaginea #3
O combinație de mai multe KIMS poate fi utilizată pentru a crea o memorie mecanică de mai mulți biți. Variind geometria comutatorului astfel încât forma funcției de energie potențială a oricăror două comutatoare să fie suficient de diferită, este posibil să se proiecteze lățimea de bandă de activare a comutatoarelor astfel încât acestea să nu se suprapună. Datorită acestui fapt, fiecare comutator va avea parametri unici de excitare.
Pentru a demonstra această tehnică, a fost creată o placă de 2 biți bazată pe două comutatoare cu caracteristici potențiale diferite (3a): bit 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm și n = 12; bit 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm și n = 12.
Deoarece fiecare bit are două stări, pot fi atinse un total de patru stări diferite S00, S01, S10 și S11 (3b). Numerele de după S indică valoarea comutatoarelor stânga (bit 1) și dreapta (bit 2).
Comportamentul unui comutator pe 2 biți este prezentat în videoclipul de mai jos:
Pe baza acestui dispozitiv, puteți crea și un grup de comutatoare, care poate sta la baza plăcilor de memorie mecanică multi-biți.
Pentru o cunoaștere mai detaliată a nuanțelor studiului, vă recomand să vă uitați la и către el.
Epilog
Este puțin probabil ca oricare dintre creatorii de origami să-și imagineze cum ar fi folosită creația lor în lumea modernă. Pe de o parte, aceasta indică un număr mare de elemente complexe ascunse în figurile obișnuite de hârtie; pe de altă parte, că știința modernă este capabilă să folosească aceste elemente pentru a crea ceva complet nou.
În această lucrare, oamenii de știință au putut folosi geometria origami a lui Kroesling pentru a crea un comutator mecanic simplu care poate fi în două stări diferite, în funcție de parametrii de intrare. Aceasta poate fi comparată cu 0 și 1, care sunt unitățile clasice de informație.
Dispozitivele rezultate au fost combinate într-un sistem de memorie mecanic capabil să stocheze 2 biți. Știind că o literă ocupă 8 biți (1 octet), se pune întrebarea: de câte origami similare vor fi necesare pentru a scrie „Război și pace”, de exemplu.
Oamenii de știință sunt bine conștienți de scepticismul pe care îl poate provoca dezvoltarea lor. Totuși, potrivit acestora, această cercetare este o explorare în domeniul memoriei mecanice. În plus, origami-ul folosit în experimente nu ar trebui să fie mare; dimensiunile lor pot fi reduse semnificativ fără a le compromite proprietățile.
Oricum ar fi, această lucrare nu poate fi numită obișnuită, banală sau plictisitoare. Știința nu este întotdeauna folosită pentru a dezvolta ceva specific, iar oamenii de știință nu știu întotdeauna inițial ce anume creează. La urma urmei, cele mai multe invenții și descoperiri au fost rezultatul unei întrebări simple - și dacă?
Mulțumesc pentru citit, rămâneți curioși și să aveți un weekend minunat băieți! 🙂
Niște reclame
Vă mulțumim că ați rămas cu noi. Vă plac articolele noastre? Vrei să vezi mai mult conținut interesant? Susține-ne plasând o comandă sau recomandând prietenilor, , un analog unic al serverelor entry-level, care a fost inventat de noi pentru tine: (disponibil cu RAID1 și RAID10, până la 24 de nuclee și până la 40 GB DDR4).
Dell R730xd de 2 ori mai ieftin în centrul de date Equinix Tier IV din Amsterdam? Numai aici in Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - de la 99 USD! Citește despre
Sursa: www.habr.com