"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - ano ang pagkakapareho ng mga kinatawan ng kulturang ito? Lahat, sa isang antas o iba pa, ay nagtatampok ng sinaunang Japanese na sining ng pagtitiklop ng papel - origami. Sa mga pelikula, laro at sa totoong buhay, ang origami ay kadalasang ginagamit bilang simbolo ng ilang damdamin, ilang alaala o kakaibang mensahe. Ito ay higit pa sa isang emosyonal na bahagi ng origami, ngunit mula sa isang pang-agham na pananaw, maraming mga kagiliw-giliw na aspeto mula sa iba't ibang mga lugar ang nakatago sa mga figure ng papel: geometry, matematika at kahit na mekanika. Ngayon ay makikilala natin ang isang pag-aaral kung saan ang mga siyentipiko mula sa American Institute of Physics ay lumikha ng isang data storage device sa pamamagitan ng pagtiklop/paglalahad ng mga numero ng origami. Paano eksaktong gumagana ang isang memory card ng papel, anong mga prinsipyo ang ipinatupad dito, at gaano karaming data ang maaaring maimbak ng naturang device? Makakakita tayo ng mga sagot sa mga tanong na ito sa ulat ng mga siyentipiko. Pumunta ka.
Batayan sa pananaliksik
Mahirap sabihin kung kailan eksaktong nagmula ang origami. Ngunit alam nating sigurado na hindi mas maaga kaysa sa 105 AD. Sa taong ito naimbento ni Cai Lun ang papel sa China. Siyempre, bago ang sandaling ito, umiral na ang papel, ngunit hindi ito gawa sa kahoy, ngunit mula sa kawayan o sutla. Ang unang pagpipilian ay hindi madali, at ang pangalawa ay napakamahal. Si Cai Lun ay inatasang gumawa ng bagong recipe para sa papel na magaan, mura, at madaling gawin. Ang gawain ay hindi madali, ngunit si Cai Lun ay bumaling sa pinakasikat na mapagkukunan ng inspirasyon - kalikasan. Sa mahabang panahon ay napagmasdan niya ang mga putakti, na ang mga tahanan ay gawa sa mga hibla ng kahoy at halaman. Nagsagawa ng maraming eksperimento si Tsai Lun kung saan gumamit siya ng iba't ibang materyales para sa hinaharap na papel (bark ng puno, abo at maging ang mga lambat sa pangingisda) na hinaluan ng tubig. Ang nagresultang masa ay inilatag sa isang espesyal na anyo at tuyo sa araw. Ang resulta ng napakalaking gawaing ito ay isang bagay na prosaic para sa modernong tao - papel.
Noong 2001, binuksan ang isang parke na pinangalanang Cai Lun sa lungsod ng Leiyang (China).
Ang pagkalat ng papel sa ibang mga bansa ay hindi kaagad nangyari; sa simula lamang ng ika-XNUMX siglo ay nakarating ang recipe nito sa Korea at Japan, at ang papel ay nakarating sa Europa lamang noong ika-XNUMX hanggang ika-XNUMX na siglo.
Ang pinaka-halatang paggamit ng papel ay, siyempre, mga manuskrito at paglilimbag. Gayunpaman, natagpuan ng mga Hapones ang isang mas eleganteng paggamit para dito - origami, i.e. natitiklop na mga numero ng papel.
Isang maikling iskursiyon sa mundo ng origami at engineering.
Mayroong isang mahusay na iba't ibang mga pagpipilian sa origami, pati na rin ang mga diskarte para sa paggawa ng mga ito: simpleng origami, kusudama (modular), wet folding, pattern origami, kirigami, atbp. ()
Mula sa pang-agham na pananaw, ang origami ay isang mekanikal na metamaterial na ang mga katangian ay tinutukoy ng geometry nito, at hindi ng mga katangian ng materyal kung saan ito ginawa. Matagal nang naipakita na ang maraming nalalamang XNUMXD na deployable na istruktura na may mga natatanging katangian ay maaaring malikha gamit ang paulit-ulit na mga pattern ng origami.
Larawan #1
Sa larawan 1b ay nagpapakita ng isang halimbawa ng naturang istraktura - isang deployable bellow, na binuo mula sa isang sheet ng papel ayon sa diagram sa 1. Mula sa magagamit na mga opsyon sa origami, natukoy ng mga siyentipiko ang isang variant kung saan ipinatupad ang isang mosaic ng magkaparehong triangular na panel na nakaayos sa cyclic symmetry, na kilala bilang Kroesling origami.
Mahalagang tandaan na ang mga istrukturang nakabatay sa origami ay may dalawang uri: matibay at hindi matibay.
Ang matibay na origami ay isang three-dimensional na istraktura kung saan ang mga fold lamang sa pagitan ng mga panel ay sumasailalim sa pagpapapangit sa panahon ng paglalahad.
Ang isang kilalang halimbawa ng matibay na origami ay ang Miura-ori, na ginamit upang lumikha ng mga mekanikal na metamaterial na may negatibong ratio ng Poisson. Ang nasabing materyal ay may malawak na hanay ng mga aplikasyon: paggalugad sa kalawakan, deformable electronics, artipisyal na kalamnan at, siyempre, reprogrammable mechanical metamaterial.
Ang non-rigid origami ay mga three-dimensional na istruktura na nagpapakita ng hindi matibay na elastic deformation ng mga panel sa pagitan ng mga fold habang nagbubukas.
Ang isang halimbawa ng naturang origami na variant ay ang naunang nabanggit na Kroesling pattern, na matagumpay na ginamit upang lumikha ng mga istruktura na may tunable multi-stability, stiffness, deformation, softening/hardening, at/o near-zero stiffness.
Mga resulta ng pananaliksik
Dahil sa inspirasyon ng sinaunang sining, nagpasya ang mga siyentipiko na gamitin ang origami ni Kroesling upang bumuo ng isang kumpol ng mga mekanikal na binary switch na maaaring piliting lumipat sa pagitan ng dalawang magkaibang static na estado gamit ang iisang kinokontrol na input sa anyo ng isang harmonic excitation na inilapat sa base ng switch .
Tulad ng nakikita mula sa 1b, ang mga bellow ay naayos sa isang dulo at sumasailalim sa isang panlabas na pagkarga sa x direksyon sa kabilang libreng dulo. Dahil dito, sumasailalim ito sa sabay-sabay na pagpapalihis at pag-ikot kasama at sa paligid ng x-axis. Ang enerhiya na naipon sa panahon ng pagpapapangit ng mga bellow ay inilabas kapag ang panlabas na load ay inalis, na nagiging sanhi ng mga bubulusan upang bumalik sa orihinal nitong hugis.
Sa madaling salita, tinitingnan natin ang isang torsion spring na ang kapangyarihan ng pagpapanumbalik ay nakasalalay sa hugis ng potensyal na paggana ng enerhiya ng bubulusan. Ito naman ay nakasalalay sa mga geometric na parameter (a0, b0, Ξ³0) ng pinagsama-samang tatsulok na ginamit sa pagbuo ng mga bellow, pati na rin ang kabuuang bilang (n) ng mga tatsulok na ito (1).
Para sa isang tiyak na kumbinasyon ng mga geometric na parameter ng disenyo, ang mga bellow na potensyal na paggana ng enerhiya ay may isang solong minimum na naaayon sa isang matatag na punto ng ekwilibriyo. Para sa iba pang mga kumbinasyon, ang potensyal na paggana ng enerhiya ay may dalawang minima na tumutugma sa dalawang stable na static bellow na mga configuration, bawat isa ay nauugnay sa ibang taas ng equilibrium o, bilang kahalili, spring deflection (1s). Ang ganitong uri ng tagsibol ay madalas na tinatawag na bistable (video sa ibaba).
Sa larawan 1d ay nagpapakita ng mga geometric na parameter na humahantong sa pagbuo ng isang bistable spring at ang mga parameter na humahantong sa pagbuo ng isang monostable spring para sa n=12.
Ang isang bistable spring ay maaaring huminto sa isa sa mga equilibrium na posisyon nito sa kawalan ng mga panlabas na load at maaaring i-activate upang lumipat sa pagitan ng mga ito kapag ang tamang dami ng enerhiya ay magagamit. Ang ari-arian na ito ang batayan ng pag-aaral na ito, na sumusuri sa paglikha ng Kroesling mechanical switch (KIMS mula sa Mga mekanikal na switch na inspirasyon ng Kresling) na may dalawang binary na estado.
Sa partikular, tulad ng ipinapakita sa 1c, ang switch ay maaaring i-activate upang lumipat sa pagitan ng dalawang estado nito sa pamamagitan ng pagbibigay ng sapat na enerhiya upang malampasan ang potensyal na hadlang (βE). Ang enerhiya ay maaaring ibigay sa anyo ng mabagal na quasi-static na aktuasyon o sa pamamagitan ng paglalapat ng isang harmonic signal sa base ng switch na may dalas ng paggulo na malapit sa lokal na resonant frequency ng switch sa iba't ibang mga estado ng equilibrium nito. Sa pag-aaral na ito, napagpasyahan na gamitin ang pangalawang opsyon, dahil ang harmonic resonant na operasyon ay higit na mataas sa quasi-static na operasyon sa ilang aspeto.
Una, ang resonant actuation ay nangangailangan ng mas kaunting puwersa upang lumipat at sa pangkalahatan ay mas mabilis. Pangalawa, ang resonant switching ay hindi sensitibo sa mga panlabas na abala na hindi sumasalamin sa switch sa mga lokal na estado nito. Pangatlo, dahil ang potensyal na pag-andar ng switch ay karaniwang walang simetriko na may kinalaman sa hindi matatag na punto ng equilibrium U0, ang mga harmonic na katangian ng paggulo na kinakailangan para sa paglipat mula sa S0 hanggang S1 ay karaniwang naiiba sa mga kinakailangan para sa paglipat mula sa S1 hanggang S0, na nagreresulta sa posibilidad ng excitation-selective binary switching .
Ang pagsasaayos ng KIMS na ito ay perpekto para sa paglikha ng isang multi-bit mechanical memory board gamit ang maramihang binary switch na may iba't ibang katangian na inilagay sa isang harmonic driven na platform. Ang paglikha ng naturang aparato ay dahil sa pagiging sensitibo ng hugis ng potensyal na pag-andar ng enerhiya ng switch sa mga pagbabago sa mga geometric na parameter ng mga pangunahing panel (1).
Dahil dito, ang maraming KIMS na may iba't ibang katangian ng disenyo ay maaaring ilagay sa parehong platform at nasasabik na lumipat mula sa isang estado patungo sa isa pa, nang paisa-isa o pinagsama gamit ang iba't ibang hanay ng mga parameter ng paggulo.
Sa yugto ng praktikal na pagsubok, isang switch ang nilikha mula sa papel na may density na 180 g/m2 na may mga geometric na parameter: Ξ³0 = 26.5Β°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm at n = 12. Ito ang mga parameter, ayon sa mga kalkulasyon (1d), at humahantong sa nagresultang spring na bistable. Ang mga kalkulasyon ay isinagawa gamit ang isang pinasimple na modelo ng axial truss (rod structure) ng bellows.
Gamit ang isang laser, ang mga butas-butas na linya ay ginawa sa isang piraso ng papel (1), na mga natitiklop na lugar. Ang mga fold ay ginawa sa kahabaan ng mga gilid b0 (curved outward) at Ξ³0 (curved inwards), at ang mga gilid ng dulong dulo ay mahigpit na pinagdugtong. Ang itaas at ibabang ibabaw ng switch ay pinalakas ng mga acrylic polygon.
Ang pagpapanumbalik ng force curve ng switch ay nakuha sa pamamagitan ng eksperimento sa pamamagitan ng compression at tensile test na isinagawa sa isang universal testing machine na may espesyal na setup na nagpapahintulot sa base na paikutin sa panahon ng mga pagsubok (1f).
Ang mga dulo ng acrylic switch polygon ay mahigpit na naayos, at ang isang kinokontrol na pag-aalis ay inilapat sa tuktok na polygon sa isang target na bilis na 0.1 mm/s. Ang mga tensile at compressive displacement ay inilapat cyclically at limitado sa 13 mm. Bago ang aktwal na pagsubok ng device, ang switch ay inaayos sa pamamagitan ng pagsasagawa ng sampung tulad na load cycle bago itala ang restoring force gamit ang 50N load cell. Naka-on 1g nagpapakita ng pagpapanumbalik ng kurba ng puwersa ng switch na nakuha sa eksperimentong paraan.
Susunod, sa pamamagitan ng pagsasama ng average na puwersa ng pagpapanumbalik ng switch sa operating range, ang potensyal na paggana ng enerhiya (1h). Ang minima sa potensyal na function ng enerhiya ay kumakatawan sa static na equilibria na nauugnay sa dalawang switch state (S0 at S1). Para sa partikular na configuration na ito, nangyayari ang S0 at S1 sa mga taas ng deployment u = 48 mm at 58.5 mm, ayon sa pagkakabanggit. Ang potensyal na paggana ng enerhiya ay malinaw na asymmetric na may iba't ibang mga hadlang sa enerhiya βE0 sa puntong S0 at βE1 sa puntong S1.
Ang mga switch ay inilagay sa isang electrodynamic shaker, na nagbibigay ng kinokontrol na paggulo ng base sa direksyon ng axial. Bilang tugon sa paggulo, ang tuktok na ibabaw ng switch ay nag-o-oscillate sa isang patayong direksyon. Ang posisyon ng tuktok na ibabaw ng switch na may kaugnayan sa base ay sinusukat gamit ang isang laser vibrometer (2).
Larawan #2
Napag-alaman na ang lokal na resonant frequency ng switch para sa dalawang estado nito ay 11.8 Hz para sa S0 at 9.7 Hz para sa S1. Upang simulan ang isang paglipat sa pagitan ng dalawang estado, iyon ay, isang paglabas mula sa potensyal na balon*, isang napakabagal (0.05 Hz/s) na bidirectional linear frequency sweep ay isinagawa sa paligid ng mga natukoy na frequency na may base acceleration na 13 ms-2. Sa partikular, ang KIMS ay unang nakaposisyon sa S0 at ang pagtaas ng frequency sweep ay sinimulan sa 6 Hz.
Potensyal na balon* - ang rehiyon kung saan mayroong lokal na minimum ng potensyal na enerhiya ng particle.
Tulad ng nakikita sa 2bKapag ang dalas ng pagmamaneho ay umabot sa humigit-kumulang 7.8 Hz, ang switch ay umaalis sa S0 potential well at pumapasok sa S1 potential well. Ang switch ay patuloy na nananatili sa S1 habang ang dalas ay tumaas pa.
Ang switch ay itinakda muli sa S0, ngunit sa pagkakataong ito ang downsweep ay sinimulan sa 16 Hz. Sa kasong ito, kapag ang dalas ay lumalapit sa 8.8 Hz, ang switch ay umalis sa S0 at pumapasok at nananatili sa potensyal na balon na S1.
Ang State S0 ay may activation band na 1 Hz [7.8, 8.8] na may acceleration na 13 ms-2, at S1 - 6...7.7 Hz (2s). Kasunod nito na ang KIMS ay maaaring piliing lumipat sa pagitan ng dalawang estado sa pamamagitan ng harmonic excitation ng isang base ng parehong magnitude ngunit magkaibang frequency.
Ang paglipat ng bandwidth ng isang KIMS ay may isang kumplikadong pag-asa sa hugis ng potensyal na paggana ng enerhiya nito, mga katangian ng damping, at mga parameter ng harmonic excitation (frequency at magnitude). Bukod pa rito, dahil sa lumalambot na nonlinear na pag-uugali ng switch, ang activation bandwidth ay hindi kinakailangang kasama ang linear resonant frequency. Samakatuwid, mahalagang gawin ang switch activation map para sa bawat KIMS nang paisa-isa. Ginagamit ang mapa na ito upang tukuyin ang dalas at laki ng paggulo na nagreresulta sa paglipat mula sa isang estado patungo sa isa pa at kabaliktaran.
Ang ganitong mapa ay maaaring likhain nang eksperimental sa pamamagitan ng frequency sweeping sa iba't ibang antas ng paggulo, ngunit ang prosesong ito ay napakahirap sa paggawa. Samakatuwid, nagpasya ang mga siyentipiko sa yugtong ito na magpatuloy sa pagmomodelo ng switch, gamit ang potensyal na function ng enerhiya na tinutukoy sa panahon ng mga eksperimento (1h).
Ipinapalagay ng modelo na ang pabagu-bagong pag-uugali ng switch ay maaaring matantya ng mabuti sa pamamagitan ng dinamika ng isang asymmetric bistable na HelmholtzβDuffing oscillator, ang equation ng paggalaw nito ay maaaring ipahayag bilang mga sumusunod:
saan u β paglihis ng movable face ng acrylic polygon na may kaugnayan sa nakapirming isa; m - epektibong masa ng switch; c β viscous damping coefficient na tinutukoy sa eksperimento; aisβbistable restoring force coefficients; Ang ab at Ξ© ay ang base magnitude at acceleration frequency.
Ang pangunahing gawain ng simulation ay ang paggamit ng formula na ito upang magtatag ng mga kumbinasyon ng ab at Ξ© na nagpapahintulot sa paglipat sa pagitan ng dalawang magkaibang estado.
Napansin ng mga siyentipiko na ang mga kritikal na dalas ng paggulo kung saan ang isang bistable oscillator ay lumilipat mula sa isang estado patungo sa isa pa ay maaaring tinantiyan ng dalawang frequency. bifurcations*: period doubling bifurcation (PD) at cyclic fold bifurcation (CF).
Bifurcation* β qualitative na pagbabago ng system sa pamamagitan ng pagbabago ng mga parameter kung saan ito nakasalalay.
Gamit ang approximation, ang frequency response curves ng KIMS ay itinayo sa dalawang estado nito. Sa tsart 2 ipinapakita ang frequency response curves ng switch sa S0 para sa dalawang magkaibang antas ng base acceleration.
Sa base acceleration na 5 ms-2, ang amplitude-frequency curve ay nagpapakita ng bahagyang paglambot, ngunit walang instability o bifurcations. Kaya, ang switch ay nananatili sa estado ng S0 gaano man ang pagbabago ng dalas.
Gayunpaman, kapag ang base acceleration ay tumaas sa 13 ms-2, bumababa ang katatagan dahil sa PD bifurcation habang bumababa ang dalas ng pagmamaneho.
Gamit ang parehong pamamaraan, ang mga curve ng pagtugon sa dalas ng switch sa S1 ay nakuha (2f). Sa isang acceleration ng 5 ms-2, ang naobserbahang pattern ay nananatiling pareho. Gayunpaman, habang ang base acceleration ay tumataas sa 10ms-2 Lumilitaw ang mga bifurcation ng PD at CF. Ang kapana-panabik na switch sa anumang dalas sa pagitan ng dalawang bifurcation na ito ay nagreresulta sa paglipat mula S1 hanggang S0.
Ang data ng simulation ay nagmumungkahi na mayroong malalaking rehiyon sa mapa ng pag-activate kung saan maaaring i-activate ang bawat estado sa isang natatanging paraan. Nagbibigay-daan ito sa iyo na piliing lumipat sa pagitan ng dalawang estado depende sa dalas at laki ng trigger. Makikita rin na mayroong isang lugar kung saan ang parehong estado ay maaaring lumipat nang sabay-sabay.
Larawan #3
Ang isang kumbinasyon ng ilang mga KIMS ay maaaring gamitin upang lumikha ng isang mekanikal na memorya ng ilang mga bit. Sa pamamagitan ng pag-iiba-iba ng geometry ng switch upang ang hugis ng potensyal na function ng enerhiya ng alinmang dalawang switch ay sapat na naiiba, posible na idisenyo ang activation bandwidth ng mga switch upang hindi sila mag-overlap. Dahil dito, magkakaroon ng natatanging mga parameter ng paggulo ang bawat switch.
Upang ipakita ang diskarteng ito, nilikha ang isang 2-bit na board batay sa dalawang switch na may magkakaibang potensyal na katangian (3): bit 1 - Ξ³0 = 28Β°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm at n = 12; bit 2 - Ξ³0 = 27Β°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm at n = 12.
Dahil ang bawat bit ay may dalawang estado, isang kabuuang apat na magkakaibang estado ang S00, S01, S10 at S11 ay maaaring makamit (3b). Ang mga numero pagkatapos ng S ay nagpapahiwatig ng halaga ng kaliwa (bit 1) at kanan (bit 2) na mga switch.
Ang pag-uugali ng isang 2-bit switch ay ipinapakita sa video sa ibaba:
Batay sa device na ito, maaari ka ring lumikha ng isang kumpol ng mga switch, na maaaring maging batayan ng mga multi-bit na mechanical memory board.
Para sa isang mas detalyadong kakilala sa mga nuances ng pag-aaral, inirerekumenda ko ang pagtingin sa ΠΈ sa kanya.
Epilogo
Hindi malamang na maisip ng sinuman sa mga lumikha ng origami kung paano gagamitin ang kanilang paglikha sa modernong mundo. Sa isang banda, ito ay nagpapahiwatig ng isang malaking bilang ng mga kumplikadong elemento na nakatago sa ordinaryong mga numero ng papel; sa kabilang banda, ang makabagong agham ay may kakayahang gamitin ang mga elementong ito upang lumikha ng ganap na bago.
Sa gawaing ito, nagamit ng mga siyentipiko ang origami geometry ni Kroesling upang lumikha ng isang simpleng mekanikal na switch na maaaring nasa dalawang magkaibang estado, depende sa mga parameter ng input. Ito ay maihahambing sa 0 at 1, na siyang mga klasikal na yunit ng impormasyon.
Ang mga nagresultang aparato ay pinagsama sa isang mekanikal na sistema ng memorya na may kakayahang mag-imbak ng 2 bits. Alam na ang isang titik ay tumatagal ng 8 bits (1 byte), ang tanong ay lumitaw: kung gaano karaming katulad na origami ang kakailanganin upang isulat ang "Digmaan at Kapayapaan," halimbawa.
Alam na alam ng mga siyentipiko ang pag-aalinlangan na maaaring idulot ng kanilang pag-unlad. Gayunpaman, ayon sa kanila, ang pananaliksik na ito ay paggalugad sa larangan ng mekanikal na memorya. Bilang karagdagan, ang origami na ginamit sa mga eksperimento ay hindi dapat malaki; ang kanilang mga sukat ay maaaring makabuluhang bawasan nang hindi nakompromiso ang kanilang mga katangian.
Magkagayunman, ang gawaing ito ay hindi matatawag na karaniwan, karaniwan o nakakainip. Ang agham ay hindi palaging ginagamit upang bumuo ng isang partikular na bagay, at hindi laging alam ng mga siyentipiko kung ano ang eksaktong kanilang nililikha. Pagkatapos ng lahat, karamihan sa mga imbensyon at pagtuklas ay resulta ng isang simpleng tanong - paano kung?
Salamat sa panonood, manatiling mausisa at magkaroon ng magandang katapusan ng linggo sa lahat! π
Isang maliit na advertising
Salamat sa pananatili sa amin. Gusto mo ba ang aming mga artikulo? Gustong makakita ng mas kawili-wiling nilalaman? Suportahan kami sa pamamagitan ng pag-order o pagrekomenda sa mga kaibigan, , isang natatanging analogue ng mga entry-level na server, na inimbento namin para sa iyo: (magagamit sa RAID1 at RAID10, hanggang 24 na core at hanggang 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x na mas mura sa Equinix Tier IV data center sa Amsterdam? Dito lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mula $99! Basahin ang tungkol sa
Pinagmulan: www.habr.com