"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - vad har dessa representanter för populärkulturen gemensamt? Alla, i en eller annan grad, har den gamla japanska konsten att vika papper - origami. I filmer, spel och i det verkliga livet används origami ofta som en symbol för vissa känslor, några minnen eller ett unikt budskap. Detta är mer en känslomässig komponent i origami, men ur vetenskaplig synvinkel är många intressanta aspekter från en mängd olika områden gömda i pappersfigurer: geometri, matematik och till och med mekanik. Idag kommer vi att bekanta oss med en studie där forskare från American Institute of Physics skapade en datalagringsenhet genom att vika/vika ut origamifigurer. Hur exakt fungerar ett pappersminneskort, vilka principer är implementerade i det och hur mycket data kan en sådan enhet lagra? Vi hittar svar på dessa frågor i forskarnas rapport. Gå.
Forskningsunderlag
Det är svårt att säga exakt när origami uppstod. Men vi vet med säkerhet att tidigast 105 e.Kr. Det var i år som Cai Lun uppfann papper i Kina. Naturligtvis före detta ögonblick fanns redan papper, men det var inte gjort av trä, utan av bambu eller siden. Det första alternativet var inte lätt, och det andra var extremt dyrt. Cai Lun fick i uppdrag att komma med ett nytt recept på papper som skulle vara lätt, billigt och enkelt att göra. Uppgiften är inte lätt, men Cai Lun vände sig till den mest populära inspirationskällan - naturen. Under lång tid observerade han getingar, vars hem var gjorda av trä och växtfibrer. Tsai Lun genomförde många experiment där han använde en mängd olika material för framtida papper (trädbark, aska och till och med fiskenät) blandat med vatten. Den resulterande massan lades ut i en speciell form och torkades i solen. Resultatet av detta kolossala verk blev ett föremål som är prosaiskt för den moderna människan - papper.
2001 öppnades en park uppkallad efter Cai Lun i staden Leiyang (Kina).
Spridningen av papper till andra länder skedde inte omedelbart, först i början av XNUMX-talet nådde dess recept Korea och Japan, och papper nådde Europa först på XNUMX-XNUMX-talen.
Den mest uppenbara användningen av papper är förstås manuskript och tryck. Japanerna hittade dock en mer elegant användning för det - origami, d.v.s. vikbara pappersfigurer.
En kort utflykt till origami och ingenjörsvärld.
Det finns ett stort utbud av origamialternativ, såväl som teknikerna för att göra dem: enkel origami, kusudama (modulär), våtvikning, mönsterorigami, kirigami, etc. ()
Ur vetenskaplig synvinkel är origami ett mekaniskt metamaterial vars egenskaper bestäms av dess geometri, och inte av egenskaperna hos materialet som det är tillverkat av. Det har visat sig under ganska lång tid att mångsidiga XNUMXD-deployerbara strukturer med unika egenskaper kan skapas med hjälp av repeterande origamimönster.
Bild #1
På bilden 1b visar ett exempel på en sådan struktur - en utfällbar bälg, byggd av ett enda pappersark enligt diagrammet på 1a. Från de tillgängliga origamialternativen har forskare identifierat en variant där en mosaik av identiska triangulära paneler arrangerade i cyklisk symmetri, känd som Kroesling origami, implementeras.
Det är viktigt att notera att origami-baserade strukturer finns i två typer: stela och icke-styva.
Stel origami är en tredimensionell struktur där endast vecken mellan panelerna deformeras under utvikningen.
Ett anmärkningsvärt exempel på stel origami är Miura-ori, som används för att skapa mekaniska metamaterial med negativt Poissons förhållande. Sådant material har ett brett spektrum av tillämpningar: rymdutforskning, deformerbar elektronik, konstgjorda muskler och, naturligtvis, omprogrammerbara mekaniska metamaterial.
Icke-styv origami är tredimensionella strukturer som uppvisar icke-styv elastisk deformation av paneler mellan vecken under utvikningen.
Ett exempel på en sådan origamivariant är det tidigare nämnda Kroesling-mönstret, som framgångsrikt har använts för att skapa strukturer med avstämbar multistabilitet, styvhet, deformation, uppmjukning/härdning och/eller styvhet nära noll.
Forskningsresultat
Inspirerade av antik konst bestämde sig forskarna för att använda Kroeslings origami för att utveckla ett kluster av mekaniska binära omkopplare som kan tvingas att växla mellan två olika statiska tillstånd med en enda kontrollerad ingång i form av en harmonisk excitation som appliceras på basen av switchen. .
Som sett från 1b, är bälgen fixerad i ena änden och utsatt för en extern belastning i x-riktningen i den andra fria änden. På grund av detta genomgår den samtidig avböjning och rotation längs och runt x-axeln. Energin som ackumuleras under bälgens deformation frigörs när den yttre belastningen avlägsnas, vilket gör att bälgen återgår till sin ursprungliga form.
Enkelt uttryckt tittar vi på en torsionsfjäder vars återställande kraft beror på formen på bälgens potentiella energifunktion. Detta beror i sin tur på de geometriska parametrarna (a0, b0, γ0) för den sammansatta triangeln som används för att konstruera bälgen, såväl som det totala antalet (n) av dessa trianglar (1a).
För en viss kombination av geometriska designparametrar har bälgens potentiella energifunktion ett enda minimum som motsvarar en stabil jämviktspunkt. För andra kombinationer har den potentiella energifunktionen två minima som motsvarar två stabila statiska bälgkonfigurationer, var och en förknippad med en annan jämviktshöjd eller, alternativt, fjäderavböjning (1s). Denna typ av fjäder kallas ofta bistabil (video nedan).
På bilden 1d visar de geometriska parametrarna som leder till bildningen av en bistabil fjäder och de parametrar som leder till bildningen av en monostabil fjäder för n=12.
En bistabil fjäder kan stanna vid ett av sina jämviktslägen i frånvaro av externa belastningar och kan aktiveras för att växla mellan dem när rätt mängd energi är tillgänglig. Det är denna egenskap som ligger till grund för denna studie, som undersöker skapandet av Kroesling mekaniska brytare (KIMS från Kresling-inspirerade mekaniska strömbrytare) med två binära tillstånd.
I synnerhet, som visas i 1c, kan omkopplaren aktiveras för övergång mellan dess två tillstånd genom att tillföra tillräckligt med energi för att övervinna den potentiella barriären (∆E). Energin kan tillföras i form av långsam kvasistatisk aktivering eller genom att applicera en övertonssignal till omkopplarens bas med en excitationsfrekvens nära den lokala resonansfrekvensen för omkopplaren i dess olika jämviktstillstånd. I denna studie beslutades det att använda det andra alternativet, eftersom harmonisk resonansdrift är överlägsen kvasistatisk drift i vissa avseenden.
För det första kräver resonansaktivering mindre kraft för att växla och är i allmänhet snabbare. För det andra är resonansväxling okänslig för externa störningar som inte resonerar med omkopplaren i dess lokala tillstånd. För det tredje, eftersom omkopplarens potentialfunktion vanligtvis är asymmetrisk med avseende på den instabila jämviktspunkten U0, är de harmoniska excitationsegenskaperna som krävs för att byta från S0 till S1 vanligtvis olika från de som krävs för att byta från S1 till S0, vilket resulterar i möjligheten att excitationsselektiv binär omkoppling .
Denna KIMS-konfiguration är idealisk för att skapa ett flerbits mekaniskt minneskort med hjälp av flera binära switchar med olika egenskaper placerade på en enda harmonisk driven plattform. Skapandet av en sådan enhet beror på känsligheten hos formen av den potentiella energifunktionen hos omkopplaren för förändringar i de geometriska parametrarna för huvudpanelerna (1е).
Följaktligen kan flera KIMS med olika designegenskaper placeras på samma plattform och exciteras för att övergå från ett tillstånd till ett annat, individuellt eller i kombination med hjälp av olika uppsättningar av excitationsparametrar.
I det praktiska teststadiet skapades en omkopplare från papper med en densitet på 180 g/m2 med geometriska parametrar: γ0 = 26.5°; bO/aO = 0; a0 = 1.68 mm och n = 0. Dessa är parametrarna, att döma av beräkningarna (1d) och leder till att den resulterande fjädern är bistabil. Beräkningarna utfördes med hjälp av en förenklad modell av bälgens axiella fackverk (stavstruktur).
Med hjälp av en laser gjordes perforerade linjer på ett papper (1a), som är vikplatser. Vik gjordes sedan längs kanterna b0 (böjda utåt) och γ0 (böjda inåt), och kanterna på de bortre ändarna sammanfogades tätt. De övre och nedre ytorna på switchen har förstärkts med akrylpolygoner.
Omkopplarens återställningskraftkurva erhölls experimentellt genom kompressions- och dragtester utförda på en universell testmaskin med en speciell inställning som gör att basen kan roteras under testerna (1f).
Ändarna av akrylomkopplarpolygonen var stelt fixerade och en kontrollerad förskjutning applicerades på den övre polygonen med en målhastighet av 0.1 mm/s. Drag- och tryckförskjutningar applicerades cykliskt och begränsade till 13 mm. Strax före själva testningen av anordningen justeras omkopplaren genom att utföra tio sådana belastningscykler innan återställningskraften registreras med hjälp av en 50N lastcell. På 1g visar återställande kraftkurvan för omkopplaren som erhållits experimentellt.
Därefter, genom att integrera den genomsnittliga återställningskraften för omkopplaren över driftsområdet, kan den potentiella energifunktionen (1h). Minima i den potentiella energifunktionen representerar statiska jämvikter associerade med de två omkopplingstillstånden (SO och S0). För denna speciella konfiguration förekommer S1 och S0 vid utbyggnadshöjder u = 1 mm respektive 48 mm. Den potentiella energifunktionen är tydligt asymmetrisk med olika energibarriärer ∆E58.5 vid punkt S0 och ∆E0 i punkt S1.
Omkopplarna placerades på en elektrodynamisk skakapparat, som ger kontrollerad excitation av basen i axiell riktning. Som svar på excitation svänger den övre ytan av omkopplaren i vertikal riktning. Positionen för omkopplarens övre yta i förhållande till basen mättes med en laservibrometer (2a).
Bild #2
Det visade sig att den lokala resonansfrekvensen för omkopplaren för dess två tillstånd är 11.8 Hz för SO och 0 Hz för S9.7. Att initiera en övergång mellan två tillstånd, det vill säga utträde från potentiell brunn*, utfördes ett mycket långsamt (0.05 Hz/s) dubbelriktat linjärt frekvenssvep runt de identifierade frekvenserna med en basacceleration på 13 ms-2. Specifikt placerades KIMS initialt vid S0 och det ökande frekvenssvepet initierades vid 6 Hz.
Potentiell brunn* - den region där det finns ett lokalt minimum av partikelns potentiella energi.
Som vi ser på 2bNär drivfrekvensen når ungefär 7.8 Hz, lämnar omkopplaren S0-potentialbrunnen och går in i S1-potentialbrunnen. Omkopplaren fortsatte att vara kvar i S1 när frekvensen ökade ytterligare.
Omkopplaren ställdes sedan till S0 igen, men denna gång initierades nedsvepet vid 16 Hz. I detta fall, när frekvensen närmar sig 8.8 Hz, lämnar omkopplaren SO och går in i och förblir i potentialbrunnen S0.
Tillstånd S0 har ett aktiveringsband på 1 Hz [7.8, 8.8] med en acceleration på 13 ms-2 och S1 - 6...7.7 Hz (2s). Det följer att KIMS kan selektivt växla mellan två tillstånd genom harmonisk excitation av en bas av samma storlek men olika frekvens.
Omkopplingsbandbredden för en KIMS har ett komplext beroende av formen på dess potentiella energifunktion, dämpningsegenskaper och harmoniska excitationsparametrar (frekvens och magnitud). Dessutom, på grund av det mjukande olinjära beteendet hos switchen, inkluderar aktiveringsbandbredden inte nödvändigtvis den linjära resonansfrekvensen. Därför är det viktigt att switchaktiveringskartan skapas för varje KIMS individuellt. Denna karta används för att karakterisera frekvensen och magnituden av excitation som resulterar i byte från ett tillstånd till ett annat och vice versa.
En sådan karta kan skapas experimentellt genom frekvenssvepning vid olika excitationsnivåer, men denna process är mycket arbetskrävande. Därför beslutade forskare i detta skede att gå vidare till att modellera omkopplaren, med hjälp av den potentiella energifunktionen som bestämdes under experimenten (1h).
Modellen antar att det dynamiska beteendet hos omkopplaren väl kan approximeras av dynamiken hos en asymmetrisk bistabil Helmholtz-Duffing-oscillator, vars rörelseekvation kan uttryckas enligt följande:
där u — avvikelse för akrylpolygonens rörliga yta i förhållande till den fasta; m — Omkopplarens effektiva massa. c — Viskös dämpningskoefficient bestämd experimentellt. ais—bistabila återställande kraftkoefficienter; ab och Ω är basstorleken och accelerationsfrekvensen.
Simuleringens huvuduppgift är att använda denna formel för att etablera kombinationer av ab och Ω som tillåter växling mellan två olika tillstånd.
Forskare noterar att de kritiska excitationsfrekvenserna vid vilka en bistabil oscillator övergår från ett tillstånd till ett annat kan approximeras med två frekvenser bifurkationer*: periodfördubblingsbifurkation (PD) och cyklisk veckbifurkation (CF).
Bifurkation* — Kvalitativ förändring av systemet genom att ändra de parametrar som det beror på.
Med hjälp av approximationen konstruerades frekvenssvarskurvor för KIMS i dess två tillstånd. På diagrammet 2е visar omkopplarens frekvenssvarskurvor vid S0 för två olika basaccelerationsnivåer.
Vid en basacceleration på 5 ms-2 visar amplitud-frekvenskurvan en lätt uppmjukning, men ingen instabilitet eller bifurkationer. Omkopplaren förblir således i S0-tillståndet oavsett hur frekvensen ändras.
Men när basaccelerationen ökas till 13 ms-2, minskar stabiliteten på grund av PD-bifurkation när körfrekvensen minskar.
Med samma schema erhölls frekvenssvarskurvor för switchen i S1 (2f). Vid en acceleration på 5 ms-2 förblir det observerade mönstret detsamma. Men när basaccelerationen ökar till 10ms-2 PD- och CF-bifurkationer uppträder. Att excitera switchen vid valfri frekvens mellan dessa två bifurkationer resulterar i en switch från S1 till SO.
Simuleringsdata tyder på att det finns stora områden i aktiveringskartan där varje tillstånd kan aktiveras på ett unikt sätt. Detta gör att du kan selektivt växla mellan två tillstånd beroende på frekvensen och storleken på utlösaren. Det kan också ses att det finns ett område där båda staterna kan växla samtidigt.
Bild #3
En kombination av flera KIMS kan användas för att skapa ett mekaniskt minne med flera bitar. Genom att variera omkopplargeometrin så att formen på den potentiella energifunktionen för två valfria switchar är tillräckligt olika, är det möjligt att utforma aktiveringsbandbredden för switcharna så att de inte överlappar varandra. På grund av detta kommer varje switch att ha unika excitationsparametrar.
För att demonstrera denna teknik skapades ett 2-bitarskort baserat på två switchar med olika potentiella egenskaper (3a): bit 1 - y0 = 28°; bO/aO = 0; aO = 0 mm och n = 1.5; bit 0 - y40 = 12°; bO/aO = 2; a0 = 27 mm och n = 0.
Eftersom varje bit har två tillstånd, kan totalt fyra olika tillstånd S00, S01, S10 och S11 uppnås (3b). Siffrorna efter S indikerar värdet på vänster (bit 1) och höger (bit 2) omkopplare.
Beteendet hos en 2-bitars switch visas i videon nedan:
Baserat på den här enheten kan du också skapa ett kluster av switchar, som kan vara grunden för flerbitars mekaniska minneskort.
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på и till honom.
Epilog
Det är osannolikt att någon av skaparna av origami skulle kunna föreställa sig hur deras skapelse skulle användas i den moderna världen. Å ena sidan indikerar detta ett stort antal komplexa element gömda i vanliga pappersfigurer; å andra sidan att modern vetenskap är kapabel att använda dessa element för att skapa något helt nytt.
I detta arbete kunde forskare använda Kroeslings origami-geometri för att skapa en enkel mekanisk omkopplare som kan vara i två olika tillstånd, beroende på ingångsparametrarna. Detta kan jämföras med 0 och 1, som är de klassiska informationsenheterna.
De resulterande enheterna kombinerades till ett mekaniskt minnessystem som kunde lagra 2 bitar. När man vet att en bokstav tar upp 8 bitar (1 byte), uppstår frågan: hur många liknande origami kommer att behövas för att skriva "Krig och fred", till exempel.
Forskare är väl medvetna om den skepsis som deras utveckling kan orsaka. Men enligt dem är denna forskning utforskning inom området mekaniskt minne. Dessutom bör den origami som används i experimenten inte vara stor, deras dimensioner kan reduceras avsevärt utan att kompromissa med deras egenskaper.
Hur det än må vara, det här arbetet kan inte kallas vanligt, banalt eller tråkigt. Vetenskap används inte alltid för att utveckla något specifikt, och forskare vet inte alltid till en början exakt vad de skapar. De flesta uppfinningar och upptäckter var trots allt resultatet av en enkel fråga - tänk om?
Tack för att du läser, håll dig nyfiken och ha en trevlig helg grabbar! 🙂
En del reklam
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, , en unik analog av ingångsservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare i Equinix Tier IV datacenter i Amsterdam? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com