“Blade Runner”, “Con Air”, “Heavy Rain” - những đại diện của văn hóa đại chúng này có điểm gì chung? Tất cả, ở mức độ này hay mức độ khác, đều thể hiện nghệ thuật gấp giấy cổ xưa của Nhật Bản - origami. Trong phim ảnh, trò chơi và đời thực, origami thường được sử dụng như biểu tượng của những cảm xúc nhất định, ký ức nào đó hoặc một thông điệp độc đáo. Đây là một thành phần cảm xúc của origami nhiều hơn, nhưng từ quan điểm khoa học, nhiều khía cạnh thú vị từ nhiều lĩnh vực khác nhau được ẩn giấu trong các hình vẽ trên giấy: hình học, toán học và thậm chí cả cơ học. Hôm nay chúng ta sẽ làm quen với một nghiên cứu trong đó các nhà khoa học từ Viện Vật lý Hoa Kỳ đã tạo ra một thiết bị lưu trữ dữ liệu bằng cách gấp/mở các hình origami. Thẻ nhớ giấy hoạt động chính xác như thế nào, những nguyên tắc nào được thực hiện trong đó và một thiết bị như vậy có thể lưu trữ bao nhiêu dữ liệu? Chúng ta sẽ tìm thấy câu trả lời cho những câu hỏi này trong báo cáo của các nhà khoa học. Đi.
Cơ sở nghiên cứu
Thật khó để nói chính xác origami có nguồn gốc từ khi nào. Nhưng chúng tôi biết chắc chắn rằng không sớm hơn năm 105 sau Công Nguyên. Vào năm này, Thái Luân đã phát minh ra giấy ở Trung Quốc. Tất nhiên, trước thời điểm này, giấy đã tồn tại nhưng nó không được làm từ gỗ mà từ tre hoặc lụa. Lựa chọn đầu tiên không hề dễ dàng và lựa chọn thứ hai cực kỳ tốn kém. Cai Lun được giao nhiệm vụ nghĩ ra một công thức mới để làm giấy nhẹ, rẻ và dễ làm. Nhiệm vụ không hề dễ dàng nhưng Cai Lun đã tìm đến nguồn cảm hứng phổ biến nhất - thiên nhiên. Trong một thời gian dài, ông đã quan sát những con ong bắp cày làm tổ bằng gỗ và sợi thực vật. Tsai Lun đã thực hiện nhiều thí nghiệm trong đó ông sử dụng nhiều loại vật liệu làm giấy trong tương lai (vỏ cây, tro và thậm chí cả lưới đánh cá) trộn với nước. Khối lượng thu được được đặt ở dạng đặc biệt và phơi khô dưới ánh nắng mặt trời. Kết quả của công trình khổng lồ này là một vật thể tầm thường đối với con người hiện đại - giấy.
Năm 2001, một công viên mang tên Cai Lun được mở tại thành phố Lôi Dương (Trung Quốc).
Việc truyền bá giấy sang các nước khác không xảy ra ngay lập tức, chỉ đến đầu thế kỷ thứ XNUMX, công thức của nó mới đến được Hàn Quốc và Nhật Bản, còn giấy chỉ đến châu Âu vào thế kỷ XNUMX-XNUMX.
Tất nhiên, việc sử dụng giấy rõ ràng nhất là bản thảo và in ấn. Tuy nhiên, người Nhật đã tìm ra cách sử dụng nó một cách tao nhã hơn - origami, tức là. gấp hình giấy.
Một chuyến tham quan ngắn vào thế giới origami và kỹ thuật.
Có rất nhiều lựa chọn về origami cũng như các kỹ thuật để tạo ra chúng: origami đơn giản, kusudama (mô-đun), gấp ướt, origami mẫu, kirigami, v.v. ()
Từ quan điểm khoa học, origami là một siêu vật liệu cơ học có đặc tính được xác định bởi hình dạng của nó chứ không phải bởi đặc tính của vật liệu mà nó được tạo ra. Người ta đã chứng minh từ khá lâu rằng các cấu trúc có thể triển khai XNUMXD linh hoạt với các thuộc tính độc đáo có thể được tạo bằng cách lặp lại các mẫu origami.
Hình ảnh số 1
trên hình ảnh 1b cho thấy một ví dụ về cấu trúc như vậy - một ống thổi có thể triển khai được, được chế tạo từ một tờ giấy theo sơ đồ trên XUẤT KHẨU. Từ các tùy chọn origami có sẵn, các nhà khoa học đã xác định được một biến thể trong đó khảm các tấm hình tam giác giống hệt nhau được sắp xếp theo đối xứng tuần hoàn, được gọi là Kroesling origami, được thực hiện.
Điều quan trọng cần lưu ý là cấu trúc dựa trên origami có hai loại: cứng nhắc và không cứng nhắc.
Origami cứng nhắc là một cấu trúc ba chiều trong đó chỉ có các nếp gấp giữa các tấm bị biến dạng trong quá trình mở ra.
Một ví dụ đáng chú ý của origami cứng là Miura-ori, được sử dụng để tạo ra siêu vật liệu cơ học có tỷ lệ Poisson âm. Vật liệu như vậy có nhiều ứng dụng: thám hiểm không gian, thiết bị điện tử có thể biến dạng, cơ nhân tạo và tất nhiên là siêu vật liệu cơ học có thể lập trình lại.
Origami không cứng nhắc là các cấu trúc ba chiều thể hiện sự biến dạng đàn hồi không cứng nhắc của các tấm giữa các nếp gấp trong quá trình mở ra.
Một ví dụ về biến thể origami như vậy là mẫu Kroesling đã đề cập trước đó, đã được sử dụng thành công để tạo ra các cấu trúc có độ ổn định đa dạng, độ cứng, biến dạng, làm mềm/làm cứng và/hoặc độ cứng gần như bằng không có thể điều chỉnh được.
Kết quả nghiên cứu
Lấy cảm hứng từ nghệ thuật cổ xưa, các nhà khoa học quyết định sử dụng origami của Kroesling để phát triển một cụm công tắc nhị phân cơ học có thể buộc phải chuyển đổi giữa hai trạng thái tĩnh khác nhau bằng cách sử dụng một đầu vào được điều khiển duy nhất dưới dạng kích thích hài hòa áp dụng cho đế công tắc. .
Như đã thấy từ 1b, hộp xếp được cố định ở một đầu và chịu tải trọng bên ngoài theo phương x ở đầu tự do còn lại. Do đó, nó đồng thời bị lệch và quay dọc và xung quanh trục x. Năng lượng tích lũy trong quá trình biến dạng của ống thổi được giải phóng khi loại bỏ tải trọng bên ngoài, khiến ống thổi trở lại hình dạng ban đầu.
Nói một cách đơn giản, chúng ta đang xem xét một lò xo xoắn có khả năng phục hồi phụ thuộc vào hình dạng của hàm thế năng của ống thổi. Điều này lại phụ thuộc vào các tham số hình học (a0, b0, γ0) của tam giác ghép được sử dụng để dựng các ống thổi, cũng như tổng số (n) của các tam giác này (XUẤT KHẨU).
Đối với một sự kết hợp nhất định của các tham số thiết kế hình học, hàm thế năng ống thổi có một mức tối thiểu duy nhất tương ứng với một điểm cân bằng ổn định. Đối với các kết hợp khác, hàm năng lượng tiềm năng có hai cực tiểu tương ứng với hai cấu hình ống thổi tĩnh ổn định, mỗi cấu hình được liên kết với một độ cao cân bằng khác nhau hoặc cách khác là độ lệch của lò xo (1с). Loại lò xo này thường được gọi là bistable (video bên dưới).
trên hình ảnh 1d biểu thị các tham số hình học dẫn đến sự hình thành lò xo lưỡng ổn và các tham số dẫn đến sự hình thành lò xo đơn ổn với n=12.
Một lò xo ổn định có thể dừng lại ở một trong các vị trí cân bằng của nó khi không có tải trọng bên ngoài và có thể được kích hoạt để chuyển đổi giữa chúng khi có đủ lượng năng lượng. Chính đặc tính này là cơ sở của nghiên cứu này, nghiên cứu việc tạo ra các công tắc cơ học Kroesling (KIMS từ Công tắc cơ học lấy cảm hứng từ Kresling) với hai trạng thái nhị phân.
Đặc biệt, như thể hiện ở 1c, công tắc có thể được kích hoạt để chuyển đổi giữa hai trạng thái của nó bằng cách cung cấp đủ năng lượng để vượt qua rào cản tiềm năng (∆E). Năng lượng có thể được cung cấp dưới dạng kích hoạt bán tĩnh chậm hoặc bằng cách đưa tín hiệu hài vào đế của công tắc với tần số kích thích gần với tần số cộng hưởng cục bộ của công tắc ở các trạng thái cân bằng khác nhau. Trong nghiên cứu này, người ta quyết định sử dụng phương án thứ hai, vì hoạt động cộng hưởng hài tốt hơn hoạt động bán tĩnh ở một số khía cạnh.
Đầu tiên, hoạt động cộng hưởng đòi hỏi ít lực hơn để chuyển đổi và thường nhanh hơn. Thứ hai, chuyển mạch cộng hưởng không nhạy cảm với các nhiễu bên ngoài không cộng hưởng với chuyển mạch ở trạng thái cục bộ của nó. Thứ ba, do hàm điện thế của công tắc thường không đối xứng đối với điểm cân bằng không ổn định U0, nên các đặc tính kích thích hài cần thiết để chuyển từ S0 sang S1 thường khác với các đặc tính cần thiết để chuyển từ S1 sang S0, dẫn đến khả năng chuyển mạch nhị phân chọn lọc kích thích.
Cấu hình KIMS này lý tưởng để tạo bảng bộ nhớ cơ học nhiều bit sử dụng nhiều công tắc nhị phân với các đặc tính khác nhau được đặt trên một nền tảng điều khiển hài hòa duy nhất. Việc tạo ra một thiết bị như vậy là do độ nhạy của hình dạng của hàm năng lượng tiềm năng của công tắc đối với những thay đổi trong các thông số hình học của bảng chính (1e).
Do đó, nhiều KIMS với các đặc điểm thiết kế khác nhau có thể được đặt trên cùng một nền tảng và được kích thích chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, riêng lẻ hoặc kết hợp bằng cách sử dụng các bộ tham số kích thích khác nhau.
Ở giai đoạn thử nghiệm thực tế, một công tắc được tạo ra từ giấy có mật độ 180 g/m2 với các thông số hình học: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm và n = 12. Đây là các tham số được đánh giá bằng các phép tính (1d), và dẫn đến lò xo có thể chịu được. Các tính toán được thực hiện bằng cách sử dụng mô hình đơn giản của giàn trục (cấu trúc thanh) của hộp xếp.
Sử dụng tia laser, các đường đục lỗ được tạo ra trên một mảnh giấy (XUẤT KHẨU), đó là những nơi gấp. Sau đó, các nếp gấp được thực hiện dọc theo các cạnh b0 (cong ra ngoài) và γ0 (cong vào trong) và các cạnh của đầu xa được nối chặt chẽ. Bề mặt trên và dưới của công tắc đã được gia cố bằng đa giác acrylic.
Đường cong lực phục hồi của công tắc đã thu được bằng thực nghiệm thông qua các thử nghiệm nén và kéo được thực hiện trên máy thử nghiệm đa năng có thiết lập đặc biệt cho phép xoay đế trong quá trình thử nghiệm (1f).
Các đầu của đa giác công tắc acrylic được cố định chắc chắn và sự dịch chuyển có kiểm soát được áp dụng cho đa giác trên cùng với tốc độ mục tiêu là 0.1 mm/s. Các chuyển vị kéo và nén được áp dụng theo chu kỳ và giới hạn ở mức 13 mm. Ngay trước khi kiểm tra thực tế thiết bị, công tắc được điều chỉnh bằng cách thực hiện mười chu kỳ tải như vậy trước khi lực phục hồi được ghi lại bằng cảm biến tải trọng 50N. TRÊN 1g cho thấy đường cong lực phục hồi của công tắc thu được bằng thực nghiệm.
Tiếp theo, bằng cách tích phân lực phục hồi trung bình của công tắc trong phạm vi hoạt động, hàm năng lượng tiềm năng (1h). Cực tiểu trong hàm năng lượng tiềm năng biểu thị trạng thái cân bằng tĩnh liên quan đến hai trạng thái chuyển đổi (S0 và S1). Đối với cấu hình cụ thể này, S0 và S1 xảy ra ở độ cao triển khai tương ứng u = 48 mm và 58.5 mm. Hàm thế năng rõ ràng là không đối xứng với các hàng rào năng lượng khác nhau ∆E0 tại điểm S0 và ∆E1 tại điểm S1.
Các công tắc được đặt trên một máy lắc điện động, cung cấp khả năng kích thích có kiểm soát của đế theo hướng trục. Để đáp ứng với sự kích thích, bề mặt trên của công tắc dao động theo phương thẳng đứng. Vị trí của bề mặt trên của công tắc so với đế được đo bằng máy đo độ rung laser (XUẤT KHẨU).
Hình ảnh số 2
Người ta nhận thấy tần số cộng hưởng cục bộ của công tắc ở hai trạng thái của nó là 11.8 Hz đối với S0 và 9.7 Hz đối với S1. Để bắt đầu quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái, nghĩa là thoát khỏi trạng thái giếng tiềm năng*, quét tần số tuyến tính hai chiều rất chậm (0.05 Hz/s) được thực hiện xung quanh các tần số được xác định với gia tốc cơ bản là 13 ms-2. Cụ thể, KIMS ban đầu được định vị ở S0 và quá trình quét tần số tăng dần được bắt đầu ở tần số 6 Hz.
Giếng tiềm năng* - vùng có thế năng cực tiểu cục bộ của hạt.
Như được thấy trên 2bKhi tần số điều khiển đạt xấp xỉ 7.8 Hz, công tắc sẽ rời khỏi giếng điện thế S0 và đi vào giếng điện thế S1. Công tắc tiếp tục duy trì ở S1 khi tần số tăng thêm.
Sau đó, công tắc lại được đặt thành S0, nhưng lần này quá trình quét xuống được bắt đầu ở tần số 16 Hz. Trong trường hợp này, khi tần số đạt tới 8.8 Hz, công tắc rời khỏi S0 và đi vào và vẫn ở trong giếng thế S1.
Trạng thái S0 có dải kích hoạt 1 Hz [7.8, 8.8] với gia tốc 13 ms-2 và S1 - 6...7.7 Hz (2с). Theo đó, KIMS có thể chuyển đổi có chọn lọc giữa hai trạng thái thông qua sự kích thích hài hòa của một cơ sở có cùng biên độ nhưng tần số khác nhau.
Băng thông chuyển mạch của KIMS có sự phụ thuộc phức tạp vào hình dạng của hàm năng lượng tiềm năng, đặc tính tắt dần và các tham số kích thích hài (tần số và cường độ). Ngoài ra, do hoạt động phi tuyến yếu đi của công tắc, băng thông kích hoạt không nhất thiết phải bao gồm tần số cộng hưởng tuyến tính. Do đó, điều quan trọng là phải tạo bản đồ kích hoạt chuyển đổi cho từng KIMS riêng lẻ. Bản đồ này được sử dụng để mô tả tần số và cường độ kích thích dẫn đến việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác và ngược lại.
Một bản đồ như vậy có thể được tạo ra bằng thực nghiệm bằng cách quét tần số ở các mức kích thích khác nhau, nhưng quá trình này tốn rất nhiều công sức. Do đó, ở giai đoạn này, các nhà khoa học quyết định chuyển sang mô hình hóa công tắc, sử dụng hàm năng lượng tiềm năng được xác định trong các thí nghiệm (1h).
Mô hình giả định rằng hành vi động của công tắc có thể gần đúng bằng động lực học của bộ dao động Helmholtz–Duffing không đối xứng có thể ổn định được, phương trình chuyển động của nó có thể được biểu thị như sau:
đâu u - độ lệch của mặt di động của đa giác acrylic so với mặt cố định; m - khối lượng hiệu dụng của thiết bị đóng cắt; c - hệ số giảm chấn nhớt được xác định bằng thực nghiệm; ais - hệ số lực hồi phục ổn định; ab và Ω là cường độ cơ bản và tần số gia tốc.
Nhiệm vụ chính của mô phỏng là sử dụng công thức này để thiết lập sự kết hợp của ab và Ω cho phép chuyển đổi giữa hai trạng thái khác nhau.
Các nhà khoa học lưu ý rằng tần số kích thích tới hạn mà tại đó bộ dao động ổn định chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác có thể xấp xỉ bằng hai tần số sự phân nhánh*: phân nhánh gấp đôi chu kỳ (PD) và phân nhánh gấp đôi chu kỳ (CF).
Phân nhánh* - thay đổi về chất của hệ thống bằng cách thay đổi các tham số mà hệ thống phụ thuộc vào.
Sử dụng phép tính gần đúng, các đường cong đáp ứng tần số của KIMS được xây dựng ở hai trạng thái của nó. Trên biểu đồ 2e hiển thị đường cong đáp ứng tần số của công tắc tại S0 đối với hai mức gia tốc cơ bản khác nhau.
Ở mức gia tốc cơ bản là 5 ms-2, đường cong biên độ-tần số biểu hiện mềm đi một chút nhưng không có sự mất ổn định hoặc phân nhánh. Do đó, công tắc vẫn ở trạng thái S0 cho dù tần số thay đổi như thế nào.
Tuy nhiên, khi gia tốc cơ sở tăng lên 13 ms-2, độ ổn định giảm do phân nhánh PD khi tần số dẫn động giảm.
Sử dụng sơ đồ tương tự, đã thu được đường cong đáp ứng tần số của công tắc trong S1 (2f). Với gia tốc 5 ms-2, mẫu quan sát được vẫn giữ nguyên. Tuy nhiên, khi gia tốc cơ sở tăng lên 10ms-2 Sự phân nhánh PD và CF xuất hiện. Việc kích thích công tắc ở bất kỳ tần số nào giữa hai nhánh này sẽ dẫn đến sự chuyển đổi từ S1 sang S0.
Dữ liệu mô phỏng cho thấy có nhiều vùng rộng lớn trên bản đồ kích hoạt trong đó mỗi trạng thái có thể được kích hoạt theo một cách riêng. Điều này cho phép bạn chuyển đổi có chọn lọc giữa hai trạng thái tùy thuộc vào tần số và cường độ của trình kích hoạt. Cũng có thể thấy rằng có một khu vực mà cả hai trạng thái có thể chuyển đổi đồng thời.
Hình ảnh số 3
Sự kết hợp của một số KIMS có thể được sử dụng để tạo ra bộ nhớ cơ học gồm nhiều bit. Bằng cách thay đổi hình học của công tắc sao cho hình dạng của hàm năng lượng tiềm năng của hai công tắc bất kỳ là đủ khác nhau, có thể thiết kế băng thông kích hoạt của các công tắc sao cho chúng không trùng nhau. Do đó, mỗi công tắc sẽ có các thông số kích thích riêng.
Để chứng minh kỹ thuật này, một bảng 2 bit đã được tạo ra dựa trên hai công tắc có các đặc tính tiềm năng khác nhau (XUẤT KHẨU): bit 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm và n = 12; bit 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm và n = 12.
Vì mỗi bit có hai trạng thái nên có thể đạt được tổng cộng bốn trạng thái khác nhau S00, S01, S10 và S11 (3b). Các số sau S biểu thị giá trị của các công tắc bên trái (bit 1) và bên phải (bit 2).
Hoạt động của công tắc 2 bit được hiển thị trong video bên dưới:
Dựa trên thiết bị này, bạn cũng có thể tạo một cụm công tắc, có thể làm nền tảng cho các bo mạch bộ nhớ cơ học nhiều bit.
Để làm quen chi tiết hơn với các sắc thái của nghiên cứu, tôi khuyên bạn nên xem и cho anh ta.
Phần kết
Khó có ai trong số những người sáng tạo ra origami có thể tưởng tượng được tác phẩm của họ sẽ được sử dụng như thế nào trong thế giới hiện đại. Một mặt, điều này cho thấy một số lượng lớn các yếu tố phức tạp ẩn giấu trong các hình vẽ bằng giấy thông thường; mặt khác, khoa học hiện đại đó có khả năng sử dụng những yếu tố này để tạo ra thứ gì đó hoàn toàn mới.
Trong công trình này, các nhà khoa học đã có thể sử dụng hình học origami của Kroesling để tạo ra một công tắc cơ học đơn giản có thể ở hai trạng thái khác nhau, tùy thuộc vào các thông số đầu vào. Điều này có thể được so sánh với 0 và 1, là những đơn vị thông tin cổ điển.
Các thiết bị thu được được kết hợp thành một hệ thống bộ nhớ cơ học có khả năng lưu trữ 2 bit. Biết rằng một chữ cái chiếm 8 bit (1 byte), câu hỏi đặt ra là: chẳng hạn cần bao nhiêu origami tương tự để viết “Chiến tranh và Hòa bình”.
Các nhà khoa học nhận thức rõ sự hoài nghi mà sự phát triển của họ có thể gây ra. Tuy nhiên, theo họ, nghiên cứu này là sự khám phá trong lĩnh vực bộ nhớ cơ học. Ngoài ra, origami được sử dụng trong thí nghiệm không được lớn, kích thước của chúng có thể giảm đáng kể mà không ảnh hưởng đến tính chất của chúng.
Dù vậy, công việc này không thể được gọi là tầm thường, tầm thường hay nhàm chán. Khoa học không phải lúc nào cũng được sử dụng để phát triển một cái gì đó cụ thể và các nhà khoa học không phải lúc nào cũng biết chính xác những gì họ đang tạo ra. Suy cho cùng, hầu hết các phát minh và khám phá đều là kết quả của một câu hỏi đơn giản - nếu như thì sao?
Cảm ơn đã đọc, hãy tò mò và chúc các bạn cuối tuần vui vẻ! 🙂
Một chút quảng cáo
Cảm ơn bạn đã ở với chúng tôi. Bạn có thích bài viết của chúng tôi? Bạn muốn xem nội dung thú vị hơn? Hỗ trợ chúng tôi bằng cách đặt hàng hoặc giới thiệu cho bạn bè, , một dạng tương tự duy nhất của các máy chủ cấp đầu vào do chúng tôi phát minh ra dành cho bạn: (có sẵn với RAID1 và RAID10, tối đa 24 lõi và tối đa 40GB DDR4).
Dell R730xd rẻ hơn gấp 2 lần tại trung tâm dữ liệu Equinix Tier IV ở Amsterdam? Chỉ ở đây ở Hà Lan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - từ $99! Đọc về
Nguồn: www.habr.com