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嗦完的吸管不要扔,集齊6根可以召喚NASA機(jī)器人 | 科學(xué)DIY

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本文由公眾號(hào) “把科學(xué)帶回家” 提供

給孩子最好的科學(xué)教育

見過一串互不相連的光棍能做這種事嗎——

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還可以這樣玩——

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這是2015年和2016年的火人節(jié)(Burning Man)大會(huì)上,藝術(shù)家buchananwp制造的成人玩具。

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給你仔細(xì)看看所有光棍的結(jié)構(gòu)——

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Piaji一拍——

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好玩不?NASA就用這種設(shè)計(jì)做了一個(gè)機(jī)器人出來。我們今天就來學(xué)怎么做。

關(guān)鍵概念

張拉整體

材料和操作

6根吸管(或中空木棍)

十來根橡皮筋

剪刀

膠帶紙

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二十面體張拉整體制作視頻——

@Angela YU

原理

我們制造的這種好玩的玩具,屬于一類叫做張拉整體(Tensegrity)的建筑結(jié)構(gòu)。

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張拉整體這個(gè)名詞是美國(guó)建筑師和發(fā)明家巴克敏斯特·富勒(Richard Buckminster Fuller)在1961年提出的。對(duì),富勒烯用的就是富勒的名字(雖然富勒烯不是富勒本人發(fā)明的)。

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巴克敏斯特·富勒和他設(shè)計(jì)的張拉整體

張拉整體是一種利用材料張力,將互不接觸的剛性物體結(jié)合起來的結(jié)構(gòu)。從功能上來看,張拉整體雖然有棱有角,但卻具有彈性,就像氣球一樣。但同時(shí),它們又不像氣球那樣“毫無骨氣”,反而非常穩(wěn)固,剛?cè)岵?jì)。

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@NASA

張拉整體和用使用壓縮力的傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)(如拱橋)不同,張拉整體利用柔性材料提供的張力支撐整體。

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1968年,美國(guó)建筑師 Kenneth Snelson 設(shè)計(jì)的張拉整體裝置 Needle Tower,位于華盛頓的赫希洪博物館和雕塑園。

@wikipedia

2009年10月落成的澳大利亞昆士蘭州布里斯班河上的庫利爾帕橋(Kurilpa Bridge)就是一類張拉整體。

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澳大利亞昆士蘭的庫利爾帕橋

1988年首爾奧運(yùn)會(huì)的體操館,以及1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)的喬治亞巨蛋(The Georgia Dome)的穹頂也屬于張拉整體流派的。

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亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)的喬治亞巨蛋

生物也能制造張拉整體。

比如,蜘蛛的網(wǎng)是一種張拉整體結(jié)構(gòu)。

金絲蜘蛛(Nephila Clavipes)的蛛網(wǎng)上有一種用蛛絲鉤織的長(zhǎng)方形的硬板,這些板充當(dāng)了張拉結(jié)構(gòu)中的剛體(如果我們實(shí)驗(yàn)中的棍子),附近的蛛絲則提供了張力。

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金絲蜘蛛的網(wǎng)是一種張拉整體

@Skelton, Robert E., and Mauricio C. de Oliveira. Tensegrity systems. Vol. 1. New York: Springer, 2009.

生物體內(nèi)也有不少張拉整體。最常見的張拉整體,其實(shí)就是人體的骨骼。人類的骨骼之間以肌腱、肌肉和韌帶相連,形成了一個(gè)個(gè)兼具強(qiáng)度和韌性的張拉整體。

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@Skelton, Robert E., and Mauricio C. de Oliveira. Tensegrity systems. Vol. 1. New York: Springer, 2009.

細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞骨架(cytoskeleton)屬于張拉整體。

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真核細(xì)胞并不像一個(gè)裝滿水不?;问幍拇?,而具有精細(xì)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。維持細(xì)胞形態(tài)的,就是由蛋白纖維構(gòu)成的細(xì)胞骨架(見上圖)。

因?yàn)榧?xì)胞骨架的存在,如果細(xì)胞沒有和任何物體相連,它就會(huì)變成圓滾滾的形狀。如果黏在堅(jiān)硬的基質(zhì)上,細(xì)胞就會(huì)變平拉伸。但是從基質(zhì)上摘下來后,細(xì)胞又會(huì)彈回原本的形態(tài)。可見,細(xì)胞利用了細(xì)胞骨架的張拉整體來保持形態(tài)。

現(xiàn)在有不少研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞骨架不僅有維持細(xì)胞形態(tài)的功能,還和癌癥有關(guān),因?yàn)榧?xì)胞骨架是細(xì)胞器運(yùn)動(dòng)的參考依據(jù),它的朝向會(huì)影響酶以及其他物質(zhì)運(yùn)輸?shù)淖呦颉<?xì)胞骨架的張拉整體性質(zhì),或許和癌癥息息相關(guān)。

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SUPERball V2

@IEEE spectrum

張拉整體得到了美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的關(guān)注,因?yàn)樗鼈兛梢栽谌狈χ亓Φ那闆r下維持形態(tài)。在太空中,像拱橋那樣利用重力提供壓縮力的結(jié)構(gòu)是行不通的。

2018年,NASA 埃姆斯研究中心和加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校制造的 SUPERball V2 機(jī)器人用的就是張拉整體的設(shè)計(jì),6根鋁制硬管之間以尼龍纜線連接,探測(cè)器放置在鋁管兩端。

得益于張拉整體的物理特性,SUPERball V2 很經(jīng)摔,也很經(jīng)打,還容易壓縮折疊,是行星著陸器的備選設(shè)計(jì)。

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SUPERball V2的測(cè)試

@IEEE spectrum

我們最后再來欣賞一組張拉整體設(shè)計(jì)吧——

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以上圖片均來自tensegriteit.nl

其實(shí)上面這些張拉整體都不算什么,最驚艷(SAO)的還是這根普普通通的麻繩和塑料瓶的組合——

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每次看見它,不知怎的就會(huì)想起明明很想整一根癱倒在地上,但又被各科作業(yè)強(qiáng)行扶起來繼續(xù)學(xué)的我。

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評(píng)論
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