„Blade Runner“, „Con Air“, „Heavy Rain“ - čo majú títo predstavitelia populárnej kultúry spoločné? Všetky v tej či onej miere charakterizujú staré japonské umenie skladania papiera - origami. Vo filmoch, hrách a v reálnom živote sa origami často používa ako symbol určitých pocitov, spomienok alebo jedinečného posolstva. Toto je skôr emocionálna zložka origami, ale z vedeckého hľadiska sa v papierových figúrkach skrýva veľa zaujímavých aspektov z rôznych oblastí: geometria, matematika a dokonca aj mechanika. Dnes sa zoznámime so štúdiou, v ktorej vedci z Amerického inštitútu fyziky skladaním/rozkladaním origami figúrok vytvorili zariadenie na ukladanie dát. Ako presne funguje papierová pamäťová karta, aké princípy sú v nej implementované a koľko dát dokáže takéto zariadenie uložiť? Odpovede na tieto otázky nájdeme v správe vedcov. Choď.
Výskumný základ
Je ťažké povedať, kedy presne origami vzniklo. S istotou však vieme, že najskôr v roku 105 po Kr. V tomto roku Cai Lun vynašiel papier v Číne. Samozrejme, pred týmto momentom už papier existoval, ale nevyrábal sa z dreva, ale z bambusu alebo hodvábu. Prvá možnosť nebola jednoduchá a druhá bola mimoriadne drahá. Cai Lun dostal za úlohu vymyslieť nový recept na papier, ktorý by bol ľahký, lacný a jednoduchý na výrobu. Úloha nie je jednoduchá, ale Cai Lun sa obrátil na najobľúbenejší zdroj inšpirácie - prírodu. Dlho pozoroval osy, ktorých obydlia boli vyrobené z dreva a rastlinných vlákien. Tsai Lun vykonal mnoho experimentov, v ktorých použil rôzne materiály na budúci papier (kôru stromov, popol a dokonca aj rybárske siete) zmiešané s vodou. Výsledná hmota bola rozložená v špeciálnej forme a vysušená na slnku. Výsledkom tejto kolosálnej práce bol pre moderného človeka prozaický predmet – papier.
V roku 2001 bol v meste Leiyang (Čína) otvorený park pomenovaný po Cai Lun.
K rozšíreniu papiera do iných krajín nedošlo hneď, až začiatkom XNUMX. storočia sa jeho receptúra dostala do Kórey a Japonska a do Európy sa papier dostal až v XNUMX. – XNUMX. storočí.
Najzrejmejším využitím papiera sú, samozrejme, rukopisy a tlač. Japonci mu však našli elegantnejšie využitie – origami, t.j. skladacie papierové figúrky.
Krátka exkurzia do sveta origami a inžinierstva.
Existuje veľké množstvo možností origami, ako aj techník na ich výrobu: jednoduché origami, kusudama (modulárne), mokré skladanie, vzor origami, kirigami atď. ()
Z vedeckého hľadiska je origami mechanický metamateriál, ktorého vlastnosti sú určené jeho geometriou, a nie vlastnosťami materiálu, z ktorého je vyrobený. Už nejaký čas sa ukázalo, že pomocou opakujúcich sa vzorov origami je možné vytvárať všestranné XNUMXD nasaditeľné štruktúry s jedinečnými vlastnosťami.
Obrázok č. 1
Na obrázku 1b ukazuje príklad takejto konštrukcie - nasaditeľný mech, zostavený z jedného listu papiera podľa schémy na 1. Z dostupných možností origami vedci identifikovali variant, v ktorom je implementovaná mozaika identických trojuholníkových panelov usporiadaných v cyklickej symetrii, známa ako Kroesling origami.
Je dôležité poznamenať, že štruktúry založené na origami sa dodávajú v dvoch typoch: tuhé a nepevné.
Pevné origami je trojrozmerná štruktúra, v ktorej sa počas rozkladania deformujú iba záhyby medzi panelmi.
Pozoruhodným príkladom rigidného origami je Miura-ori, ktorý sa používa na vytváranie mechanických metamateriálov s negatívnym Poissonovým pomerom. Takýto materiál má široké uplatnenie: prieskum vesmíru, deformovateľná elektronika, umelé svaly a samozrejme preprogramovateľné mechanické metamateriály.
Nepevné origami sú trojrozmerné štruktúry, ktoré vykazujú nepevnú elastickú deformáciu panelov medzi skladmi počas rozkladania.
Príkladom takéhoto origami variantu je už spomínaný Kroeslingov vzor, ktorý bol úspešne použitý na vytváranie štruktúr s laditeľnou multistabilitou, tuhosťou, deformáciou, zmäkčovaním/tvrdnutím a/alebo takmer nulovou tuhosťou.
Výsledky štúdie
Vedci, inšpirovaní starovekým umením, sa rozhodli použiť Kroeslingov origami na vývoj zhluku mechanických binárnych spínačov, ktoré môžu byť nútené prepínať medzi dvoma rôznymi statickými stavmi pomocou jediného riadeného vstupu vo forme harmonického budenia aplikovaného na základňu spínača. .
Ako je vidieť z 1bvlnovec je na jednom konci upevnený a na druhom voľnom konci je vystavený vonkajšiemu zaťaženiu v smere x. Vďaka tomu dochádza súčasne k vychýleniu a rotácii pozdĺž a okolo osi x. Energia nahromadená pri deformácii mechu sa uvoľní pri odstránení vonkajšieho zaťaženia, čím sa mech vráti do pôvodného tvaru.
Jednoducho povedané, pozeráme sa na torznú pružinu, ktorej vratná sila závisí od tvaru funkcie potenciálnej energie vlnovca. To zase závisí od geometrických parametrov (a0, b0, γ0) zloženého trojuholníka použitého na konštrukciu vlnovca, ako aj od celkového počtu (n) týchto trojuholníkov (1).
Pre určitú kombináciu parametrov geometrického návrhu má vlnovcová funkcia potenciálnej energie jediné minimum zodpovedajúce jednému stabilnému bodu rovnováhy. Pre iné kombinácie má funkcia potenciálnej energie dve minimá zodpovedajúce dvom stabilným konfiguráciám statických vlnovcov, z ktorých každá je spojená s inou rovnovážnou výškou alebo alternatívne s vychýlením pružiny (1s). Tento typ pružiny sa často nazýva bistabilný (video nižšie).
Na obrázku 1d znázorňuje geometrické parametre vedúce k vytvoreniu bistabilnej pružiny a parametre vedúce k vytvoreniu monostabilnej pružiny pre n=12.
Bistabilná pružina sa môže zastaviť v jednej zo svojich rovnovážnych polôh v neprítomnosti vonkajších zaťažení a môže byť aktivovaná na prepínanie medzi nimi, keď je k dispozícii správne množstvo energie. Práve táto vlastnosť je základom tejto štúdie, ktorá skúma tvorbu Kroeslingových mechanických spínačov (KIMS z r. Mechanické spínače inšpirované Kreslingom) s dvoma binárnymi stavmi.
Najmä, ako je uvedené v 1c, môže byť spínač aktivovaný na prechod medzi svojimi dvoma stavmi dodaním dostatočného množstva energie na prekonanie potenciálnej bariéry (∆E). Energia môže byť dodávaná vo forme pomalého kvázistatického ovládania alebo privedením harmonického signálu na základňu spínača s budiacou frekvenciou blízkou lokálnej rezonančnej frekvencii spínača v jeho rôznych rovnovážnych stavoch. V tejto štúdii sa rozhodlo použiť druhú možnosť, pretože harmonická rezonančná prevádzka je v niektorých ohľadoch lepšia ako kvázistatická prevádzka.
Po prvé, rezonančné ovládanie vyžaduje menšiu silu na prepnutie a je vo všeobecnosti rýchlejšie. Po druhé, rezonančné spínanie je necitlivé na vonkajšie poruchy, ktoré nerezonujú so spínačom v jeho lokálnych stavoch. Po tretie, keďže potenciálna funkcia spínača je zvyčajne asymetrická vzhľadom na nestabilný rovnovážny bod U0, charakteristiky harmonického budenia potrebné na prepnutie z S0 na S1 sú zvyčajne odlišné od tých, ktoré sú potrebné na prepnutie z S1 na S0, čo vedie k možnosti excitačné selektívne binárne prepínanie .
Táto konfigurácia KIMS je ideálna na vytvorenie viacbitovej mechanickej pamäťovej dosky s použitím viacerých binárnych prepínačov s rôznymi charakteristikami umiestnenými na jednej harmonickej platforme. Vytvorenie takéhoto zariadenia je spôsobené citlivosťou tvaru potenciálnej energetickej funkcie spínača na zmeny geometrických parametrov hlavných panelov (1е).
V dôsledku toho je možné umiestniť viacero KIMS s rôznymi konštrukčnými charakteristikami na rovnakú platformu a vybudiť ich na prechod z jedného stavu do druhého, jednotlivo alebo v kombinácii s použitím rôznych sád parametrov budenia.
V štádiu praktického skúšania bol vytvorený výhybok z papiera s hustotou 180 g/m2 s geometrickými parametrami: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm an = 12. Toto sú parametre podľa výpočtov (1d) a vedú k tomu, že výsledná pružina je bistabilná. Výpočty boli realizované pomocou zjednodušeného modelu osového krovu (prútovej konštrukcie) vlnovca.
Pomocou lasera boli na kus papiera vytvorené perforované čiary (1), čo sú miesta skladania. Potom sa urobili záhyby pozdĺž okrajov b0 (zakrivené smerom von) a γ0 (zakrivené dovnútra) a okraje vzdialených koncov sa pevne spojili. Horná a spodná plocha spínača bola vystužená akrylovými polygónmi.
Krivka vratnej sily spínača bola získaná experimentálne prostredníctvom skúšok v tlaku a ťahu vykonaných na univerzálnom testovacom stroji so špeciálnym nastavením umožňujúcim otáčanie základne počas skúšok (1f).
Konce akrylového prepínača boli pevne pripevnené a na horný mnohouholník bol aplikovaný riadený posun pri cieľovej rýchlosti 0.1 mm/s. Ťahové a tlakové posuny boli aplikované cyklicky a obmedzené na 13 mm. Tesne pred samotným testovaním zariadenia sa prepínač nastaví vykonaním desiatich takýchto zaťažovacích cyklov pred zaznamenaním vratnej sily pomocou 50N silomeru. Zapnuté 1g ukazuje krivku vratnej sily spínača získanú experimentálne.
Ďalej, integráciou priemernej vratnej sily spínača v prevádzkovom rozsahu, funkcia potenciálnej energie (1h). Minimá vo funkcii potenciálnej energie predstavujú statické rovnováhy spojené s dvoma stavmi spínača (S0 a S1). Pre túto konkrétnu konfiguráciu sa S0 a S1 vyskytujú vo výškach rozmiestnenia u = 48 mm a 58.5 mm. Funkcia potenciálnej energie je jasne asymetrická s rôznymi energetickými bariérami ∆E0 v bode S0 a ∆E1 v bode S1.
Spínače boli umiestnené na elektrodynamickej trepačke, ktorá zabezpečuje riadené budenie bázy v axiálnom smere. V reakcii na budenie horný povrch spínača osciluje vo vertikálnom smere. Poloha hornej plochy spínača vzhľadom na základňu sa merala pomocou laserového vibrometra (2).
Obrázok č. 2
Zistilo sa, že lokálna rezonančná frekvencia výhybky pre jej dva stavy je 11.8 Hz pre S0 a 9.7 Hz pre S1. Na začatie prechodu medzi dvoma stavmi, teda výstup z potenciálna studňa*okolo identifikovaných frekvencií sa uskutočnilo veľmi pomalé (0.05 Hz/s) obojsmerné lineárne frekvenčné rozmietanie so základným zrýchlením 13 ms-2. Konkrétne, KIMS bol pôvodne umiestnený na S0 a zvyšovanie frekvencie bolo spustené pri 6 Hz.
Potenciálna studňa* - oblasť, kde je lokálne minimum potenciálnej energie častice.
Ako je vidieť na 2bKeď budiaca frekvencia dosiahne približne 7.8 Hz, spínač opustí potenciálovú jamku S0 a vstúpi do potenciálovej jamky S1. Prepínač zostal v S1, keď sa frekvencia ďalej zvyšovala.
Prepínač bol potom opäť nastavený na S0, ale tentoraz sa spustenie zostupu začalo pri 16 Hz. V tomto prípade, keď sa frekvencia priblíži k 8.8 Hz, spínač opustí S0 a vstúpi a zostane v potenciálovej studni S1.
Stav S0 má aktivačné pásmo 1 Hz [7.8, 8.8] so zrýchlením 13 ms-2 a S1 - 6...7.7 Hz (2s). Z toho vyplýva, že KIMS môže selektívne prepínať medzi dvoma stavmi prostredníctvom harmonického budenia bázy rovnakej veľkosti, ale odlišnej frekvencie.
Spínacia šírka pásma KIMS má komplexnú závislosť od tvaru jeho potenciálnej energetickej funkcie, tlmiacich charakteristík a parametrov harmonického budenia (frekvencie a veľkosti). Okrem toho, v dôsledku zmäkčujúceho nelineárneho správania prepínača, šírka aktivačného pásma nemusí nevyhnutne zahŕňať lineárnu rezonančnú frekvenciu. Preto je dôležité, aby sa mapa aktivácie prepínača vytvorila pre každý KIMS jednotlivo. Táto mapa sa používa na charakterizáciu frekvencie a veľkosti budenia, ktoré vedie k prepínaniu z jedného stavu do druhého a naopak.
Takáto mapa môže byť vytvorená experimentálne frekvenčným rozmietaním na rôznych úrovniach budenia, ale tento proces je veľmi náročný na prácu. Preto sa vedci v tejto fáze rozhodli prejsť na modelovanie prepínača pomocou funkcie potenciálnej energie určenej počas experimentov (1h).
Model predpokladá, že dynamické správanie spínača sa dá dobre aproximovať dynamikou asymetrického bistabilného Helmholtz-Duffingovho oscilátora, ktorého pohybovú rovnicu možno vyjadriť nasledovne:
kde u — odchýlka pohyblivej plochy akrylového mnohouholníka vzhľadom na pevný; m — efektívna hmotnosť spínača; c — koeficient viskózneho tlmenia stanovený experimentálne; ais — bistabilné koeficienty vratnej sily; ab a Ω sú základná veľkosť a frekvencia zrýchlenia.
Hlavnou úlohou simulácie je použiť tento vzorec na vytvorenie kombinácií ab a Ω, ktoré umožňujú prepínanie medzi dvoma rôznymi stavmi.
Vedci poznamenávajú, že kritické budiace frekvencie, pri ktorých bistabilný oscilátor prechádza z jedného stavu do druhého, možno aproximovať dvoma frekvenciami rozdvojenie*: perióda zdvojujúca bifurkácia (PD) a cyklická násobná bifurkácia (CF).
Bifurkácia* — kvalitatívna zmena systému zmenou parametrov, od ktorých závisí.
Pomocou aproximácie boli skonštruované krivky frekvenčnej odozvy KIMS v jej dvoch stavoch. Na grafe 2е ukazuje krivky frekvenčnej odozvy spínača pri S0 pre dve rôzne základné úrovne zrýchlenia.
Pri základnom zrýchlení 5 ms-2 vykazuje krivka amplitúdy-frekvencie mierne zmäkčenie, ale žiadnu nestabilitu alebo rozdvojenie. Prepínač teda zostáva v stave S0 bez ohľadu na to, ako sa frekvencia mení.
Keď sa však základné zrýchlenie zvýši na 13 ms-2, stabilita sa zníži v dôsledku bifurkácie PD, keď sa frekvencia riadenia zníži.
Použitím rovnakej schémy boli získané krivky frekvenčnej odozvy prepínača v S1 (2f). Pri zrýchlení 5 ms-2 zostáva pozorovaný obrazec rovnaký. Keď sa však základné zrýchlenie zvýši na 10 ms-2 Objavujú sa bifurkácie PD a CF. Vybudenie prepínača pri akejkoľvek frekvencii medzi týmito dvoma rozvetveniami má za následok prepnutie z S1 na S0.
Údaje zo simulácie naznačujú, že na aktivačnej mape sú veľké oblasti, v ktorých môže byť každý stav aktivovaný jedinečným spôsobom. To vám umožňuje selektívne prepínať medzi dvoma stavmi v závislosti od frekvencie a veľkosti spúšte. Je tiež vidieť, že existuje oblasť, kde sa oba stavy môžu prepínať súčasne.
Obrázok č. 3
Kombináciou niekoľkých KIMS možno vytvoriť mechanickú pamäť niekoľkých bitov. Zmenou geometrie spínača tak, aby bol tvar funkcie potenciálnej energie ľubovoľných dvoch spínačov dostatočne odlišný, je možné navrhnúť šírku aktivačného pásma spínačov tak, aby sa neprekrývali. Vďaka tomu bude mať každý spínač jedinečné parametre budenia.
Na demonštráciu tejto techniky bola vytvorená 2-bitová doska založená na dvoch prepínačoch s rôznymi potenciálnymi charakteristikami (3): bit 1 - y0 = 28°; b0/a0 = 1.5; ao = 0 mm an = 40; bit 12 - y2 = 0°; b27/a0 = 0; a1.7 = 0 mm an = 40.
Pretože každý bit má dva stavy, je možné dosiahnuť celkom štyri rôzne stavy S00, S01, S10 a S11 (3b). Čísla za S označujú hodnotu ľavého (bit 1) a pravého (bit 2) prepínača.
Správanie 2-bitového prepínača je zobrazené vo videu nižšie:
Na základe tohto zariadenia môžete vytvoriť aj zhluk prepínačov, ktorý môže byť základom viacbitových mechanických pamäťových dosiek.
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť и jemu.
Epilóg
Je nepravdepodobné, že by si niektorý z tvorcov origami vedel predstaviť, ako by sa ich tvorba používala v modernom svete. Na jednej strane to naznačuje veľké množstvo zložitých prvkov skrytých v bežných papierových figúrkach; na druhej strane, že moderná veda je schopná využiť tieto prvky na vytvorenie niečoho úplne nového.
V tejto práci vedci dokázali pomocou Kroeslingovej origami geometrie vytvoriť jednoduchý mechanický spínač, ktorý môže byť v dvoch rôznych stavoch v závislosti od vstupných parametrov. Dá sa to porovnať s 0 a 1, čo sú klasické jednotky informácie.
Výsledné zariadenia boli spojené do mechanického pamäťového systému schopného uložiť 2 bity. S vedomím, že jedno písmeno zaberá 8 bitov (1 bajt), vyvstáva otázka: koľko podobných origami bude potrebných napríklad na napísanie „Vojna a mier“.
Vedci si dobre uvedomujú skepsu, ktorú ich vývoj môže spôsobiť. Tento výskum je však podľa nich skúmaním v oblasti mechanickej pamäte. Okrem toho by origami použité v experimentoch nemali byť veľké, ich rozmery je možné výrazne zmenšiť bez toho, aby boli ohrozené ich vlastnosti.
Nech je to akokoľvek, toto dielo nemožno nazvať obyčajným, banálnym alebo nudným. Nie vždy sa veda používa na vývoj niečoho konkrétneho a vedci nie vždy spočiatku vedia, čo presne vytvárajú. Väčšina vynálezov a objavov bola napokon výsledkom jednoduchej otázky – čo ak?
Ďakujeme za sledovanie, buďte zvedaví a prajeme všetkým pekný víkend! 🙂
Trochu reklamy
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, , jedinečný analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší v dátovom centre Equinix Tier IV v Amsterdame? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com