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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見過一串互不相連的光棍能做這種事嗎——

還可以這樣玩——

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。

?

給你仔細(xì)看看所有光棍的結(jié)構(gòu)——

Piaji一拍——

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

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)。

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）。

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)。

@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。

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。

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。

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。

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。

@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。

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)。

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)。

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——

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——

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。