"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - popüler kültürün bu temsilcilerinin ortak noktası nedir? Hepsi, bir dereceye kadar, eski Japon kağıt katlama sanatı olan origami'ye sahiptir. Filmlerde, oyunlarda ve gerçek hayatta origami genellikle belirli duyguların, bazı anıların veya benzersiz bir mesajın sembolü olarak kullanılır. Bu daha çok origaminin duygusal bir bileşenidir, ancak bilimsel açıdan bakıldığında, çeşitli alanlardan birçok ilginç yön kağıt figürlerde gizlidir: geometri, matematik ve hatta mekanik. Bugün Amerikan Fizik Enstitüsü'nden bilim adamlarının origami figürlerini katlayıp açarak bir veri depolama cihazı oluşturdukları bir çalışmayla tanışacağız. Bir kağıt hafıza kartı tam olarak nasıl çalışır, içinde hangi ilkeler uygulanır ve böyle bir cihaz ne kadar veri depolayabilir? Bu soruların cevabını bilim adamlarının raporunda bulacağız. Gitmek.
Araştırma temeli
Origami'nin tam olarak ne zaman ortaya çıktığını söylemek zor. Ancak MS 105'ten daha erken olmadığından eminiz. Bu yıl Cai Lun Çin'de kağıdı icat etti. Elbette bu andan önce kağıt zaten vardı ama tahtadan değil, bambu veya ipekten yapılıyordu. İlk seçenek kolay değildi ve ikincisi son derece pahalıydı. Cai Lun'a hafif, ucuz ve yapımı kolay yeni bir kağıt tarifi bulmakla görev verildi. Görev kolay değil ama Cai Lun en popüler ilham kaynağı olan doğaya yöneldi. Uzun süre evleri ahşap ve bitki liflerinden yapılmış eşekarısıları gözlemledi. Tsai Lun, gelecekteki kağıt için çeşitli malzemeleri (ağaç kabuğu, kül ve hatta balık ağları) suyla karıştırıp kullandığı birçok deney gerçekleştirdi. Ortaya çıkan kütle özel bir forma serildi ve güneşte kurutuldu. Bu devasa çalışmanın sonucu, modern insan için sıradan bir nesneydi - kağıt.
2001 yılında Leiyang (Çin) şehrinde Cai Lun'un adını taşıyan bir park açıldı.
Kağıdın diğer ülkelere yayılması hemen gerçekleşmedi, tarifi ancak XNUMX. yüzyılın başında Kore ve Japonya'ya ulaştı ve kağıt Avrupa'ya ancak XNUMX.-XNUMX. yüzyıllarda ulaştı.
Kağıdın en belirgin kullanım alanı elbette el yazmaları ve matbaalardır. Ancak Japonlar bunun için daha zarif bir kullanım alanı buldular - origami, yani. kağıt figürleri katlama.
Origami ve mühendislik dünyasına kısa bir gezi.
Çok çeşitli origami seçenekleri ve bunları yapma teknikleri vardır: basit origami, kusudama (modüler), ıslak katlama, desen origami, kirigami vb. ()
Bilim açısından origami, özellikleri yapıldığı malzemenin özelliklerine göre değil, geometrisine göre belirlenen mekanik bir meta malzemedir. Tekrarlanan origami desenleri kullanılarak benzersiz özelliklere sahip çok yönlü XNUMX boyutlu konuşlandırılabilir yapıların oluşturulabileceği uzun süredir kanıtlanmıştır.
Resim #1
resim üzerinde 1b böyle bir yapının bir örneğini gösterir - aşağıdaki şemaya göre tek bir kağıt yaprağından yapılmış, konuşlandırılabilir bir körük 1a. Bilim adamları, mevcut origami seçeneklerinden, Kroesling origami olarak bilinen, döngüsel simetriye göre düzenlenmiş özdeş üçgen panellerden oluşan bir mozaiğin uygulandığı bir varyant belirlediler.
Origami temelli yapıların iki tipte olduğunu unutmamak önemlidir: katı ve katı olmayan.
Sert origami, açılma sırasında yalnızca paneller arasındaki kıvrımların deformasyona uğradığı üç boyutlu bir yapıdır.
Katı origaminin dikkate değer bir örneği, negatif Poisson oranına sahip mekanik meta malzemeler oluşturmak için kullanılan Miura-ori'dir. Bu tür malzemelerin geniş bir uygulama alanı vardır: uzay araştırmaları, deforme olabilen elektronikler, yapay kaslar ve elbette yeniden programlanabilir mekanik meta malzemeler.
Sert olmayan origami, açılma sırasında katlar arasında panellerin sert olmayan elastik deformasyonunu sergileyen üç boyutlu yapılardır.
Böyle bir origami çeşidinin bir örneği, ayarlanabilir çoklu stabilite, sertlik, deformasyon, yumuşama/sertleşme ve/veya sıfıra yakın sertliğe sahip yapılar oluşturmak için başarıyla kullanılan, daha önce sözü edilen Kroesling modelidir.
Araştırma sonuçları
Antik sanattan ilham alan bilim insanları, anahtarın tabanına uygulanan harmonik uyarım şeklindeki tek kontrollü girişi kullanarak iki farklı statik durum arasında geçiş yapmaya zorlanabilen bir mekanik ikili anahtar kümesi geliştirmek için Kroesling'in origamisini kullanmaya karar verdiler. .
Görüldüğü gibi 1bKörük bir ucunda sabit olup diğer serbest ucunda x yönünde bir dış yüke maruz kalır. Bu nedenle x ekseni boyunca ve çevresinde eş zamanlı sapma ve dönmeye maruz kalır. Körüklerin deformasyonu sırasında biriken enerji, dış yük kaldırıldığında serbest kalır ve körüğün orijinal şekline dönmesine neden olur.
Basitçe söylemek gerekirse, geri yükleme gücü körüğün potansiyel enerji fonksiyonunun şekline bağlı olan bir burulma yayına bakıyoruz. Bu da körüğü oluşturmak için kullanılan kompozit üçgenin geometrik parametrelerine (a0, b0, γ0) ve bu üçgenlerin toplam sayısına (n) bağlıdır (1a).
Geometrik tasarım parametrelerinin belirli bir kombinasyonu için körük potansiyel enerji fonksiyonu, bir kararlı denge noktasına karşılık gelen tek bir minimuma sahiptir. Diğer kombinasyonlar için potansiyel enerji fonksiyonu, her biri farklı bir denge yüksekliği veya alternatif olarak yay sapması ile ilişkilendirilen iki kararlı statik körük konfigürasyonuna karşılık gelen iki minimuma sahiptir (1s). Bu tür yaylara genellikle iki durumlu denir (aşağıdaki video).
resim üzerinde 1d n=12 için iki kararlı yayın oluşumuna yol açan geometrik parametreleri ve tek kararlı yayın oluşumuna yol açan parametreleri göstermektedir.
İki durumlu bir yay, dış yüklerin yokluğunda denge konumlarından birinde durabilir ve uygun miktarda enerji mevcut olduğunda bunlar arasında geçiş yapmak üzere etkinleştirilebilir. Kroesling mekanik anahtarlarının (KIMS) oluşturulmasını inceleyen bu çalışmanın temelini oluşturan bu özelliktir. Kresling'den ilham alan mekanik anahtarlar) iki ikili durumla.
Özellikle, gösterildiği gibi 1c, potansiyel bariyeri (∆E) aşmak için yeterli enerjiyi sağlayarak anahtar iki durumu arasında geçiş yapmak üzere etkinleştirilebilir. Enerji, yavaş yarı statik çalıştırma şeklinde veya anahtarın tabanına, çeşitli denge durumlarında anahtarın yerel rezonans frekansına yakın bir uyarma frekansına sahip bir harmonik sinyal uygulanarak sağlanabilir. Bu çalışmada harmonik rezonans işleminin bazı açılardan yarı statik çalışmaya göre üstün olması nedeniyle ikinci seçeneğin kullanılmasına karar verilmiştir.
Birincisi, rezonans aktivasyonu geçiş için daha az kuvvet gerektirir ve genellikle daha hızlıdır. İkincisi, rezonans anahtarlama, yerel durumlarında anahtarla rezonansa girmeyen dış etkenlere karşı duyarsızdır. Üçüncüsü, anahtarın potansiyel fonksiyonu kararsız denge noktası U0'a göre genellikle asimetrik olduğundan, S0'dan S1'e geçiş için gereken harmonik uyarılma özellikleri genellikle S1'den S0'a geçiş için gerekli olanlardan farklıdır, bu da aşağıdaki olasılığı doğurur: uyarma seçici ikili anahtarlama.
Bu KIMS konfigürasyonu, tek bir harmonik tahrikli platform üzerine yerleştirilmiş farklı özelliklere sahip birden fazla ikili anahtar kullanarak çok bitli bir mekanik bellek kartı oluşturmak için idealdir. Böyle bir cihazın oluşturulması, anahtarın potansiyel enerji fonksiyonunun şeklinin ana panellerin geometrik parametrelerindeki değişikliklere duyarlılığından kaynaklanmaktadır (1e).
Sonuç olarak, farklı tasarım özelliklerine sahip birden fazla KIMS aynı platforma yerleştirilebilir ve farklı uyarma parametreleri kümeleri kullanılarak ayrı ayrı veya kombinasyon halinde bir durumdan diğerine geçiş için uyarılabilir.
Pratik test aşamasında, geometrik parametreleri 180 g/m2 olan kağıttan bir anahtar oluşturuldu: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm ve n = 12. Bunlar, hesaplamalara göre değerlendirilen parametrelerdir (1d) ve ortaya çıkan yayın iki durumlu olmasına yol açar. Hesaplamalar körüğün eksenel kirişinin (çubuk yapısı) basitleştirilmiş bir modeli kullanılarak yapıldı.
Lazer kullanılarak bir kağıt parçası üzerine delikli çizgiler yapıldı (1a), katlanma yerleridir. Daha sonra b0 (dışa doğru kavisli) ve γ0 (içe doğru kavisli) kenarları boyunca katlamalar yapıldı ve uzak uçların kenarları sıkı bir şekilde birleştirildi. Anahtarın üst ve alt yüzeyleri akrilik poligonlarla güçlendirilmiştir.
Anahtarın geri çağırma kuvveti eğrisi, testler sırasında tabanın döndürülmesine izin veren özel bir düzeneğe sahip üniversal bir test makinesinde gerçekleştirilen sıkıştırma ve çekme testleri yoluyla deneysel olarak elde edildi (1f).
Akrilik anahtar poligonun uçları sağlam bir şekilde sabitlendi ve üst poligona 0.1 mm/s hedef hızda kontrollü bir yer değiştirme uygulandı. Çekme ve basma yer değiştirmeleri döngüsel olarak uygulandı ve 13 mm ile sınırlandırıldı. Cihazın fiili testinden hemen önce, geri yükleme kuvveti 50N'lik bir yük hücresi kullanılarak kaydedilmeden önce bu tür on yük döngüsü gerçekleştirilerek anahtar ayarlanır. Açık 1g deneysel olarak elde edilen anahtarın geri yükleme kuvveti eğrisini gösterir.
Daha sonra, anahtarın ortalama geri yükleme kuvvetinin çalışma aralığına entegre edilmesiyle potansiyel enerji fonksiyonu (1h). Potansiyel enerji fonksiyonundaki minimumlar, iki anahtar durumuyla (S0 ve S1) ilişkili statik dengeyi temsil eder. Bu özel konfigürasyon için S0 ve S1, sırasıyla u = 48 mm ve 58.5 mm açılma yüksekliklerinde meydana gelir. Potansiyel enerji fonksiyonu, S0 noktasındaki farklı ∆E0 ve S1 noktasındaki ∆E1 enerji engelleriyle açıkça asimetriktir.
Anahtarlar, tabanın eksenel yönde kontrollü uyarılmasını sağlayan bir elektrodinamik çalkalayıcı üzerine yerleştirildi. Uyarıma yanıt olarak anahtarın üst yüzeyi dikey yönde salınır. Anahtarın üst yüzeyinin tabana göre konumu bir lazer vibrometre kullanılarak ölçüldü (2a).
Resim #2
Anahtarın iki durumu için yerel rezonans frekansının S11.8 için 0 Hz ve S9.7 için 1 Hz olduğu bulunmuştur. İki durum arasında geçişi, yani durumdan çıkışı başlatmak potansiyel kuyusu*0.05 ms-13'lik taban ivmesi ile belirlenen frekanslar etrafında çok yavaş (2 Hz/s) çift yönlü doğrusal frekans taraması gerçekleştirildi. Spesifik olarak, KIMS başlangıçta S0'da konumlandırıldı ve artan frekans taraması 6 Hz'de başlatıldı.
Potansiyel kuyusu* Parçacığın potansiyel enerjisinin yerel minimumunun olduğu bölge.
Görüldüğü gibi 2bSürüş frekansı yaklaşık 7.8 Hz'e ulaştığında anahtar S0 potansiyel kuyusundan çıkıp S1 potansiyel kuyusuna girer. Frekans daha da arttıkça anahtar S1'de kalmaya devam etti.
Daha sonra anahtar tekrar S0'a ayarlandı, ancak bu sefer aşağı tarama 16 Hz'de başlatıldı. Bu durumda frekans 8.8 Hz'e yaklaştığında anahtar S0'dan çıkıp S1 potansiyel kuyusuna girer ve burada kalır.
S0 Durumu, 1 ms-7.8 ivme ile 8.8 Hz [13, 2] aktivasyon bandına sahiptir ve S1 - 6...7.7 Hz (2s). KIMS'in aynı büyüklükte fakat farklı frekanstaki bir bazın harmonik uyarımı yoluyla iki durum arasında seçici olarak geçiş yapabileceği sonucu çıkar.
Bir KIMS'in anahtarlama bant genişliği, potansiyel enerji fonksiyonunun şekline, sönüm özelliklerine ve harmonik uyarım parametrelerine (frekans ve büyüklük) karmaşık bir bağımlılığa sahiptir. Ek olarak, anahtarın doğrusal olmayan davranışının yumuşaması nedeniyle aktivasyon bant genişliğinin mutlaka doğrusal rezonans frekansını içermesi gerekmez. Bu nedenle her KIMS için ayrı ayrı anahtar aktivasyon haritasının oluşturulması önemlidir. Bu harita, bir durumdan diğerine geçişle sonuçlanan uyarılmanın sıklığını ve büyüklüğünü karakterize etmek için kullanılır.
Böyle bir harita, farklı uyarım seviyelerinde frekans taraması yapılarak deneysel olarak oluşturulabilir, ancak bu süreç oldukça emek yoğundur. Bu nedenle bilim adamları bu aşamada deneyler sırasında belirlenen potansiyel enerji fonksiyonunu kullanarak anahtarı modellemeye geçmeye karar verdiler (1h).
Model, anahtarın dinamik davranışının, hareket denklemi aşağıdaki gibi ifade edilebilen asimetrik çift kararlı Helmholtz-Duffing osilatörün dinamiği tarafından iyi bir şekilde tahmin edilebileceğini varsayar:
nerede u - akrilik çokgenin hareketli yüzünün sabit olana göre sapması; m - anahtarın etkin kütlesi; c - deneysel olarak belirlenen viskoz sönüm katsayısı; ais—iki kararlı geri getirme kuvveti katsayıları; ab ve Ω temel büyüklük ve ivme frekansıdır.
Simülasyonun ana görevi, iki farklı durum arasında geçişe izin veren ab ve Ω kombinasyonlarını oluşturmak için bu formülü kullanmaktır.
Bilim adamları, iki kararlı bir osilatörün bir durumdan diğerine geçişindeki kritik uyarılma frekanslarının iki frekansla yaklaşık olarak belirlenebileceğini belirtiyorlar. çatallanmalar*: periyot ikiye katlama çatallanması (PD) ve döngüsel kat çatallanması (CF).
Çatallanma* - bağlı olduğu parametreleri değiştirerek sistemin niteliksel değişimi.
Yaklaşım kullanılarak, KIMS'in frekans tepki eğrileri iki durumda oluşturuldu. Grafikte 2e iki farklı temel hızlanma seviyesi için S0'daki anahtarın frekans yanıt eğrilerini gösterir.
5 ms-2'lik taban ivmesinde genlik-frekans eğrisi hafif bir yumuşama gösterir, ancak kararsızlık veya çatallanma görülmez. Böylece frekans ne kadar değişirse değişsin anahtar S0 durumunda kalır.
Ancak taban ivme 13 ms-2'ye çıkarıldığında sürüş frekansı azaldıkça PD çatallanması nedeniyle stabilite azalmaktadır.
Aynı şema kullanılarak S1'deki anahtarın frekans yanıt eğrileri elde edildi (2f). 5 ms-2'lik bir ivmede gözlemlenen model aynı kalır. Ancak taban ivmesi 10ms'ye çıktıkça-2 PD ve CF çatallanmaları ortaya çıkıyor. Bu iki çatallanma arasındaki herhangi bir frekansta anahtarın uyarılması, S1'den S0'a geçişle sonuçlanır.
Simülasyon verileri, aktivasyon haritasında her durumun benzersiz bir şekilde etkinleştirilebileceği geniş bölgelerin bulunduğunu göstermektedir. Bu, tetikleyicinin frekansına ve büyüklüğüne bağlı olarak iki durum arasında seçici olarak geçiş yapmanızı sağlar. Ayrıca her iki durumun aynı anda geçiş yapabileceği bir alanın olduğu da görülebilmektedir.
Resim #3
Birkaç bitten oluşan mekanik bir bellek oluşturmak için birkaç KIMS'in birleşimi kullanılabilir. Herhangi iki anahtarın potansiyel enerji fonksiyonunun şekli yeterince farklı olacak şekilde anahtar geometrisini değiştirerek, anahtarların aktivasyon bant genişliğini üst üste gelmeyecek şekilde tasarlamak mümkündür. Bu nedenle her anahtarın benzersiz uyarılma parametreleri olacaktır.
Bu tekniği göstermek için, farklı potansiyel özelliklere sahip iki anahtara dayanan 2 bitlik bir kart oluşturuldu (3a): bit 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm ve n = 12; bit 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm ve n = 12.
Her bitin iki durumu olduğundan toplam dört farklı durum S00, S01, S10 ve S11 elde edilebilir (3b). S'den sonraki sayılar sol (bit 1) ve sağ (bit 2) anahtarların değerini gösterir.
2 bitlik bir anahtarın davranışı aşağıdaki videoda gösterilmektedir:
Bu cihazı temel alarak, çok bitli mekanik bellek kartlarının temelini oluşturabilecek bir anahtar kümesi de oluşturabilirsiniz.
Çalışmanın nüansları hakkında daha ayrıntılı bilgi için, şuna bakmanızı tavsiye ederim: и ona.
Sonuç bölümü
Origami yaratıcılarından herhangi birinin, yaratımlarının modern dünyada nasıl kullanılacağını hayal etmesi pek mümkün değildir. Bir yandan bu, sıradan kağıt figürlerin içinde gizlenmiş çok sayıda karmaşık öğeye işaret ediyor; Öte yandan modern bilim, bu unsurları tamamen yeni bir şey yaratmak için kullanma yeteneğine sahiptir.
Bu çalışmada bilim insanları, giriş parametrelerine bağlı olarak iki farklı durumda olabilen basit bir mekanik anahtar oluşturmak için Kroesling'in origami geometrisini kullanabildiler. Bu, klasik bilgi birimleri olan 0 ve 1 ile karşılaştırılabilir.
Ortaya çıkan cihazlar, 2 bit depolayabilen mekanik bir bellek sisteminde birleştirildi. Bir harfin 8 bit (1 bayt) kapladığını bildiğimizde şu soru ortaya çıkıyor: Örneğin "Savaş ve Barış" yazmak için kaç tane benzer origaminin gerekli olacağı.
Bilim insanları, bu gelişmelerin neden olabileceği şüpheciliğin çok iyi farkındalar. Ancak onlara göre bu araştırma mekanik hafıza alanında bir araştırmadır. Ayrıca deneylerde kullanılan origamilerin büyük olmaması gerekir; özelliklerinden ödün vermeden boyutları önemli ölçüde küçültülebilir.
Öyle olsa bile bu işe sıradan, sıradan veya sıkıcı denemez. Bilim her zaman belirli bir şeyi geliştirmek için kullanılmaz ve bilim insanları başlangıçta tam olarak ne yarattıklarını her zaman bilmezler. Sonuçta çoğu icat ve keşif basit bir sorunun sonucuydu: Ya şöyle olsaydı?
İzlediğiniz için teşekkürler, merakla kalın ve herkese harika bir hafta sonu geçirin! 🙂
Bazı reklamlar
Bizimle kaldığın için teşekkürler. Yazılarımızı beğeniyor musunuz? Daha ilginç içerik görmek ister misiniz? Sipariş vererek veya arkadaşlarınıza tavsiye ederek bize destek olun, , sizin için bizim tarafımızdan icat edilen benzersiz bir giriş seviyesi sunucu analoğu: (RAID1 ve RAID10, 24 adede kadar çekirdek ve 40 GB'a kadar DDR4 ile mevcuttur).
Amsterdam'daki Equinix Tier IV veri merkezinde Dell R730xd 2 kat daha mı ucuz? Sadece burada Hollanda'da! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99$'dan! Hakkında oku
Kaynak: habr.com