"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - kaj imajo ti predstavniki popularne kulture skupnega? Vsi v eni ali drugi meri predstavljajo starodavno japonsko umetnost zgibanja papirja - origami. V filmih, igrah in v resničnem življenju se origami pogosto uporablja kot simbol določenih občutkov, nekaterih spominov ali edinstvenega sporočila. To je bolj čustvena komponenta origamija, z znanstvenega vidika pa se v papirnatih figurah skriva veliko zanimivih vidikov z različnih področij: geometrije, matematike in celo mehanike. Danes se bomo seznanili s študijo, v kateri so znanstveniki z Ameriškega inštituta za fiziko ustvarili napravo za shranjevanje podatkov z zlaganjem/razpiranjem origami figur. Kako točno deluje papirnata pomnilniška kartica, kateri principi so implementirani v njej in koliko podatkov lahko taka naprava shrani? Odgovore na ta vprašanja bomo našli v poročilu znanstvenikov. pojdi
Raziskovalna osnova
Težko je reči, kdaj točno je origami nastal. Zagotovo pa vemo, da ne prej kot leta 105 n. Tega leta je Cai Lun na Kitajskem izumil papir. Seveda je pred tem trenutkom papir že obstajal, vendar ni bil izdelan iz lesa, temveč iz bambusa ali svile. Prva možnost ni bila lahka, druga pa izjemno draga. Cai Lun je dobil nalogo, da pripravi nov recept za papir, ki bi bil lahek, poceni in enostaven za izdelavo. Naloga ni lahka, a Cai Lun se je obrnil k najbolj priljubljenemu viru navdiha – naravi. Dolgo je opazoval ose, katerih domovanja so bila narejena iz lesa in rastlinskih vlaken. Tsai Lun je izvedel številne poskuse, v katerih je uporabil različne materiale za bodoči papir (drevesno lubje, pepel in celo ribiške mreže), pomešane z vodo. Nastala masa je bila postavljena v posebno obliko in posušena na soncu. Rezultat tega ogromnega dela je bil predmet, ki je za sodobnega človeka prozaičen - papir.
Leta 2001 so v mestu Leiyang (Kitajska) odprli park, poimenovan po Cai Lunu.
Širjenje papirja v druge države se ni zgodilo takoj, šele v začetku XNUMX. stoletja je njegov recept dosegel Korejo in Japonsko, papir pa je prišel v Evropo šele v XNUMX.-XNUMX.
Najbolj očitna uporaba papirja so seveda rokopisi in tisk. Japonci pa so mu našli bolj elegantno uporabo - origami, tj. zložljive figure iz papirja.
Kratek izlet v svet origamija in inženirstva.
Možnosti origamija, pa tudi tehnik izdelave so zelo raznolike: preprost origami, kusudama (modularno), mokro zgibanje, origami z vzorci, kirigami itd. ()
Z vidika znanosti je origami mehanski metamaterial, katerega lastnosti so določene z njegovo geometrijo in ne z lastnostmi materiala, iz katerega je izdelan. Že kar nekaj časa je bilo dokazano, da je mogoče ustvariti vsestranske XNUMXD razporedljive strukture z edinstvenimi lastnostmi s ponavljajočimi se vzorci origami.
Slika #1
Na sliki 1b prikazuje primer takšne strukture - raztegljiv meh, zgrajen iz enega samega lista papirja v skladu s shemo na 1. Med razpoložljivimi možnostmi origamija so znanstveniki identificirali različico, v kateri je implementiran mozaik enakih trikotnih plošč, razporejenih v ciklični simetriji, znan kot Kroesling origami.
Pomembno je omeniti, da so strukture, ki temeljijo na origamiju, dve vrsti: toge in netoge.
Togi origami je tridimenzionalna struktura, pri kateri se med odvijanjem deformirajo le gube med ploščami.
Pomemben primer togega origamija je Miura-ori, ki se uporablja za ustvarjanje mehanskih metamaterialov z negativnim Poissonovim razmerjem. Tak material ima široko paleto aplikacij: raziskovanje vesolja, deformabilna elektronika, umetne mišice in seveda reprogramabilni mehanski metamateriali.
Netogi origami so tridimenzionalne strukture, ki kažejo netogo elastično deformacijo plošč med gubami med odvijanjem.
Primer takšne variante origamija je prej omenjeni Kroeslingov vzorec, ki je bil uspešno uporabljen za ustvarjanje struktur z nastavljivo večstabilnostjo, togostjo, deformacijo, mehčanjem/utrjevanjem in/ali skoraj ničelno togostjo.
Rezultati raziskav
Po navdihu starodavne umetnosti so se znanstveniki odločili, da bodo uporabili Kroeslingov origami za razvoj skupine mehanskih binarnih stikal, ki jih je mogoče prisiliti v preklapljanje med dvema različnima statičnima stanjema z uporabo enega samega nadzorovanega vhoda v obliki harmoničnega vzbujanja, uporabljenega na dnu stikala. .
Kot je razvidno iz 1b, je meh na enem koncu pritrjen, na drugem prostem koncu pa izpostavljen zunanji obremenitvi v smeri x. Zaradi tega je podvržen hkratnemu odklonu in vrtenju vzdolž in okoli osi x. Energija, akumulirana med deformacijo meha, se sprosti, ko se zunanja obremenitev odstrani, zaradi česar se meh povrne v prvotno obliko.
Preprosto povedano, gledamo torzijsko vzmet, katere obnovitvena moč je odvisna od oblike potencialne energijske funkcije meha. To pa je odvisno od geometrijskih parametrov (a0, b0, γ0) sestavljenega trikotnika, uporabljenega za izdelavo meha, kot tudi od skupnega števila (n) teh trikotnikov (1).
Za določeno kombinacijo geometrijskih konstrukcijskih parametrov ima funkcija potencialne energije meha en sam minimum, ki ustreza eni stabilni ravnotežni točki. Za druge kombinacije ima funkcija potencialne energije dva minimuma, ki ustrezata dvema stabilnima statičnima konfiguracijama meha, od katerih je vsaka povezana z različno ravnotežno višino ali, alternativno, upogibom vzmeti (1s). Ta vrsta vzmeti se pogosto imenuje bistabilna (video spodaj).
Na sliki 1d prikazuje geometrijske parametre, ki vodijo do tvorbe bistabilne vzmeti, in parametre, ki vodijo do tvorbe monostabilne vzmeti za n=12.
Bistabilna vzmet se lahko ustavi v enem od svojih ravnotežnih položajev v odsotnosti zunanjih obremenitev in se lahko aktivira za preklapljanje med njimi, ko je na voljo ustrezna količina energije. Prav ta lastnost je osnova te študije, ki preučuje ustvarjanje mehanskih stikal Kroesling (KIMS iz Mehanska stikala po navdihu Kreslinga) z dvema binarnima stanjema.
Zlasti, kot je prikazano v 1c, lahko stikalo aktivirate za prehod med svojima dvema stanjema z dovajanjem dovolj energije za premagovanje potencialne ovire (∆E). Energijo je mogoče dovajati v obliki počasnega kvazistatičnega proženja ali z uporabo harmoničnega signala na dnu stikala s frekvenco vzbujanja, ki je blizu lokalne resonančne frekvence stikala v njegovih različnih ravnotežnih stanjih. V tej študiji je bilo odločeno, da uporabimo drugo možnost, saj je harmonično resonančno delovanje v nekaterih pogledih boljše od kvazistatičnega delovanja.
Prvič, resonančno aktiviranje zahteva manj sile za preklop in je na splošno hitrejše. Drugič, resonančno preklapljanje je neobčutljivo na zunanje motnje, ki ne resonirajo s stikalom v njegovih lokalnih stanjih. Tretjič, ker je potencialna funkcija stikala običajno asimetrična glede na nestabilno ravnotežno točko U0, so karakteristike harmonskega vzbujanja, potrebne za preklop iz S0 v S1, običajno drugačne od tistih, ki so potrebne za preklop iz S1 v S0, kar ima za posledico možnost vzbujevalno selektivno binarno preklapljanje .
Ta konfiguracija KIMS je idealna za ustvarjanje večbitne mehanske pomnilniške plošče z uporabo več binarnih stikal z različnimi značilnostmi, nameščenih na eno harmonično gnano platformo. Ustvarjanje takšne naprave je posledica občutljivosti oblike funkcije potencialne energije stikala na spremembe geometrijskih parametrov glavnih plošč (1e).
Posledično je več KIMS z različnimi konstrukcijskimi značilnostmi mogoče postaviti na isto platformo in vzbuditi za prehod iz enega stanja v drugo, posamezno ali v kombinaciji z uporabo različnih nizov parametrov vzbujanja.
Na stopnji praktičnega testiranja je bilo izdelano stikalo iz papirja z gostoto 180 g/m2 z geometrijskimi parametri: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm in n = 12. To so parametri, sodeč po izračunih (1d), in vodijo do tega, da je nastala vzmet bistabilna. Izračuni so bili izvedeni s poenostavljenim modelom aksialnega nosilca (palične strukture) meha.
Na kos papirja so bile z laserjem narejene perforirane črte (1), ki so zložljiva mesta. Gube so bile nato narejene vzdolž robov b0 (ukrivljen navzven) in γ0 (ukrivljen navznoter), robovi skrajnih koncev pa so bili tesno spojeni. Zgornja in spodnja površina stikala sta bili ojačani z akrilnimi poligoni.
Krivulja obnovitvene sile stikala je bila pridobljena eksperimentalno s tlačnimi in nateznimi preskusi, izvedenimi na univerzalnem preskusnem stroju s posebno nastavitvijo, ki je omogočala vrtenje baze med preskusi (1f).
Konci akrilnega preklopnega poligona so bili togo pritrjeni, na zgornji poligon pa je bil uporabljen nadzorovan premik pri ciljni hitrosti 0.1 mm/s. Natezni in tlačni premiki so bili uporabljeni ciklično in omejeni na 13 mm. Tik pred dejanskim testiranjem naprave se stikalo prilagodi z izvedbo desetih takšnih obremenitvenih ciklov, preden se obnovitvena sila zabeleži z uporabo merilne celice 50N. Vklopljeno 1g prikazuje krivuljo obnovitvene sile stikala, pridobljeno eksperimentalno.
Nato z integracijo povprečne obnovitvene sile stikala v delovnem območju dobimo funkcijo potencialne energije (1h). Minimumi v funkciji potencialne energije predstavljajo statično ravnotežje, povezano z dvema stanjema stikala (S0 in S1). Za to posebno konfiguracijo se S0 in S1 pojavita pri višinah namestitve u = 48 mm oziroma 58.5 mm. Funkcija potencialne energije je jasno asimetrična z različnimi energijskimi pregradami ∆E0 v točki S0 in ∆E1 v točki S1.
Stikala smo postavili na elektrodinamični stresalnik, ki omogoča kontrolirano vzbujanje baze v aksialni smeri. Kot odgovor na vzbujanje zgornja površina stikala niha v navpični smeri. Položaj zgornje površine stikala glede na podlago je bil izmerjen z laserskim vibrometrom (2).
Slika #2
Ugotovljeno je bilo, da je lokalna resonančna frekvenca stikala za njegovi dve stanji 11.8 Hz za S0 in 9.7 Hz za S1. Začeti prehod med dvema stanjema, torej izhod iz potencialni vodnjak*, je bilo izvedeno zelo počasno (0.05 Hz/s) dvosmerno linearno frekvenčno premikanje okoli identificiranih frekvenc z osnovnim pospeškom 13 ms-2. Natančneje, KIMS je bil prvotno postavljen na S0 in naraščajoče frekvenčno premikanje se je začelo pri 6 Hz.
Potencialni vodnjak* - območje, kjer je lokalni minimum potencialne energije delca.
Kot se vidi na 2bKo pogonska frekvenca doseže približno 7.8 Hz, stikalo zapusti potencialno vdolbino S0 in vstopi v potencialno vdolbino S1. Stikalo je še naprej ostalo v S1, ko se je frekvenca še povečala.
Stikalo je bilo nato spet nastavljeno na S0, toda tokrat se je pometanje navzdol začelo pri 16 Hz. V tem primeru, ko se frekvenca približa 8.8 Hz, stikalo zapusti S0 in vstopi in ostane v potencialni jami S1.
Stanje S0 ima aktivacijski pas 1 Hz [7.8, 8.8] s pospeškom 13 ms-2 in S1 - 6...7.7 Hz (2s). Iz tega sledi, da lahko KIMS selektivno preklaplja med dvema stanjema s harmoničnim vzbujanjem baze enake velikosti, vendar različne frekvence.
Preklopna pasovna širina KIMS je kompleksno odvisna od oblike njegove funkcije potencialne energije, lastnosti dušenja in parametrov harmonskega vzbujanja (frekvenca in velikost). Poleg tega zaradi mehčajočega nelinearnega obnašanja stikala aktivacijska pasovna širina ne vključuje nujno linearne resonančne frekvence. Zato je pomembno, da se mapa aktivacije stikala izdela za vsak KIMS posebej. Ta zemljevid se uporablja za karakterizacijo frekvence in velikosti vzbujanja, ki povzroči preklop iz enega stanja v drugo in obratno.
Takšen zemljevid je mogoče ustvariti eksperimentalno s frekvenčnim pometanjem na različnih ravneh vzbujanja, vendar je ta postopek zelo delovno intenziven. Zato so se znanstveniki na tej stopnji odločili, da preidejo na modeliranje stikala z uporabo funkcije potencialne energije, določene med poskusi (1h).
Model predpostavlja, da je dinamično obnašanje stikala mogoče dobro aproksimirati z dinamiko asimetričnega bistabilnega Helmholtz–Duffingovega oscilatorja, katerega enačbo gibanja lahko izrazimo na naslednji način:
če u — odstopanje premične ploskve akrilnega poligona glede na fiksno; m — efektivna masa kretnice; c — koeficient viskoznega dušenja, določen eksperimentalno; ais—bistabilni koeficienti obnovitvene sile; ab in Ω sta osnovna velikost in frekvenca pospeška.
Glavna naloga simulacije je uporaba te formule za vzpostavitev kombinacij ab in Ω, ki omogočajo preklapljanje med dvema različnima stanjema.
Znanstveniki ugotavljajo, da je mogoče kritične frekvence vzbujanja, pri katerih bistabilni oscilator prehaja iz enega stanja v drugo, približati z dvema frekvencama bifurkacije*: bifurkacija podvojitve periode (PD) in bifurkacija ciklične gube (CF).
Bifurkacija* — kvalitativna sprememba sistema s spremembo parametrov, od katerih je odvisen.
Z uporabo aproksimacije so bile zgrajene krivulje frekvenčnega odziva KIMS v njegovih dveh stanjih. Na grafikonu 2e prikazuje krivulje frekvenčnega odziva stikala pri S0 za dve različni ravni osnovnega pospeška.
Pri osnovnem pospešku 5 ms-2 kaže krivulja amplitudna frekvenca rahlo mehčanje, vendar brez nestabilnosti ali bifurkacij. Tako ostane stikalo v stanju S0 ne glede na to, kako se spremeni frekvenca.
Ko pa se osnovni pospešek poveča na 13 ms-2, se stabilnost zmanjša zaradi bifurkacije PD, ko se vozna frekvenca zmanjša.
Z isto shemo smo dobili krivulje frekvenčnega odziva stikala v S1 (2f). Pri pospešku 5 ms-2 opazovani vzorec ostane enak. Vendar pa se osnovni pospešek poveča na 10 ms-2 Pojavijo se bifurkacije PD in CF. Vzbujanje preklopa pri kateri koli frekvenci med tema dvema bifurkacijama povzroči preklop s S1 na S0.
Podatki simulacije kažejo, da so v aktivacijskem zemljevidu velike regije, v katerih je mogoče vsako stanje aktivirati na edinstven način. To vam omogoča selektivno preklapljanje med dvema stanjema glede na frekvenco in velikost sprožilca. Prav tako je mogoče videti, da obstaja območje, kjer lahko obe državi preklopita hkrati.
Slika #3
Kombinacijo več KIMS je mogoče uporabiti za ustvarjanje mehanskega pomnilnika več bitov. S spreminjanjem geometrije stikala, tako da je oblika funkcije potencialne energije poljubnih dveh stikal dovolj različna, je mogoče oblikovati aktivacijsko pasovno širino stikal tako, da se ne prekrivajo. Zaradi tega bo imelo vsako stikalo edinstvene parametre vzbujanja.
Za prikaz te tehnike je bila ustvarjena 2-bitna plošča, ki temelji na dveh stikalih z različnimi potencialnimi lastnostmi (3): bit 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm in n = 12; bit 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm in n = 12.
Ker ima vsak bit dve stanji, je mogoče doseči skupno štiri različna stanja S00, S01, S10 in S11 (3b). Številke za S označujejo vrednost levega (bit 1) in desnega (bit 2) stikala.
Delovanje 2-bitnega stikala je prikazano v spodnjem videu:
Na osnovi te naprave lahko ustvarite tudi gručo stikal, ki je lahko osnova večbitnih mehanskih pomnilniških plošč.
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled и njemu.
Epilog
Malo verjetno je, da bi si kdo od ustvarjalcev origamija lahko predstavljal, kako bi se njihovo ustvarjanje uporabljalo v sodobnem svetu. Po eni strani to kaže na veliko število kompleksnih elementov, ki se skrivajo v navadnih papirnatih figurah; po drugi strani pa, da je sodobna znanost sposobna uporabiti te elemente za ustvarjanje nečesa povsem novega.
V tem delu so znanstveniki lahko uporabili Kroeslingovo geometrijo origami, da bi ustvarili preprosto mehansko stikalo, ki je lahko v dveh različnih stanjih, odvisno od vhodnih parametrov. To lahko primerjamo z 0 in 1, ki sta klasični enoti informacij.
Nastali napravi sta bili združeni v mehanski pomnilniški sistem, ki lahko shrani 2 bita. Če vemo, da ena črka zavzema 8 bitov (1 bajt), se postavlja vprašanje: koliko podobnih origamijev bo potrebnih, da na primer napišemo "Vojna in mir".
Znanstveniki se dobro zavedajo skepticizma, ki ga lahko povzroči njihov razvoj. Vendar je po njihovem mnenju ta raziskava raziskovanje na področju mehanskega spomina. Poleg tega origami, uporabljeni v poskusih, ne smejo biti veliki; njihove dimenzije je mogoče znatno zmanjšati, ne da bi pri tem ogrozili njihove lastnosti.
Kakor koli že, tega dela ne moremo imenovati običajno, banalno ali dolgočasno. Znanost se ne uporablja vedno za razvoj nečesa posebnega in znanstveniki na začetku ne vedo vedno, kaj točno ustvarjajo. Navsezadnje je večina izumov in odkritij rezultat preprostega vprašanja – kaj če?
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep vikend fantje! 🙂
Malo reklame
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, , edinstven analog začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd dvakrat cenejši v podatkovnem centru Equinix Tier IV v Amsterdamu? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com