Robert Lang 設(shè)計(jì)的變色折紙
@veritassium
看到上面展示的這個(gè)好玩的會(huì)突然變臉的折紙玩具了嗎,它居然能瞬間變色。你盯多久能看明白它是怎么變臉的?(它能變臉是因?yàn)榭梢栽陧槙r(shí)針和逆時(shí)針2個(gè)方向上快速旋轉(zhuǎn))
別小看這個(gè)玩具。用特定材料制作的話,它可以被玩10萬次都不會(huì)壞,非常適合航空航天。
更奇妙的是,一些生物體內(nèi)就有這種折紙。一起來看看它是什么來歷,又是怎么制作的吧!
關(guān)鍵概念
克雷斯林圖案
材料和操作
剪刀
白紙
打印機(jī)
1 將模版打印出來,然后剪切折疊(模版里有制作說明)。
如何獲取模版?
在 把科學(xué)帶回家 微信公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù) 克雷
原理
這個(gè)折紙的折痕設(shè)計(jì)叫做克雷斯林圖案(Kresling fold pattern),是德國(guó)數(shù)學(xué)家 Biruta Kresling 發(fā)明的,但是它的雙色玩法是 NASA 工程師改行,又被請(qǐng)回 NASA 用折紙?jiān)O(shè)計(jì)衛(wèi)星的折紙大師 Robert Lang 設(shè)計(jì)的。
Robert Lang 用7年,同一張紙,不經(jīng)過剪切折成的仙人掌(綠色部分)。
其實(shí),我們之前介紹過,Biruta Kresling 本人能一下徒手一扭(torsional loading),讓紙質(zhì)圓柱體長(zhǎng)出克雷斯林圖案。(點(diǎn)我看詳細(xì))
Biruta Kresling 發(fā)現(xiàn)扭矩可以讓紙質(zhì)圓柱體長(zhǎng)出克雷斯林圖案
后來,楊百翰大學(xué)(Brigham Young University)的柔順機(jī)構(gòu)研究中心發(fā)現(xiàn),克雷斯林圖案是一種非常適合航天的折紙?jiān)O(shè)計(jì)。
克雷斯林圖案隨著應(yīng)力而發(fā)生的相變
@Pablo Zavattieri Research Lab
楊百翰大學(xué)柔順機(jī)構(gòu)研究中心的研究人員曾經(jīng)對(duì)它進(jìn)行疲勞測(cè)試,輻射測(cè)試等多種材料測(cè)試,發(fā)現(xiàn)某些材料(聚酰亞胺Kapton,特衛(wèi)強(qiáng)Tyvek和超高分子量聚乙烯UHMWPE)制作的克雷斯林圖案打開折疊10萬次都不會(huì)壞,而且對(duì)嚴(yán)酷的環(huán)境也適應(yīng)良好,比較輕巧,適用于太空的應(yīng)用場(chǎng)景,未來或許可以替代火星車的鉆頭的金屬折疊設(shè)備。
不同材料制作的克雷斯林圖案
@DOI:10.1115/DETC2016-59060
當(dāng)然,現(xiàn)在已經(jīng)有很多航天設(shè)備采用了折紙的思路,比如天線、太陽(yáng)能板(點(diǎn)我查看)。詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡,以及 Robert Lang 參與設(shè)計(jì)的 eyeglass telescope 天文望遠(yuǎn)鏡都含有折紙的設(shè)計(jì)元素。
衛(wèi)星的折紙?zhí)?yáng)能板
@veritassium
建筑學(xué)和日常物品也可以利用折紙結(jié)構(gòu)控制光線、氣流、散熱和外觀。
可折疊的Oru皮劃艇
@Oru Kayak
類似于我們制作的折紙柱體(origami bellow)還可以被用于醫(yī)療,比如運(yùn)輸導(dǎo)管。利用折紙運(yùn)輸醫(yī)療儀器能夠減少對(duì)人體組織的侵入性,從而降低病人的恢復(fù)時(shí)間。
麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的計(jì)算機(jī)學(xué)教授 Daniela Rus 的團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一種能夠吞下去再展開的冰包折紙藥丸,它可以在人體內(nèi)的指定位置打開,然后給藥或者覆蓋傷口。
冰包折紙藥丸
@MIT
實(shí)際上,隨著研究的深入,每年研究人員都在發(fā)現(xiàn)折紙?zhí)N藏的未知秘密。
2015年發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上的一項(xiàng)研究中,佐治亞理工學(xué)院和東京大學(xué)的研究人員就利用三浦折疊設(shè)計(jì)了一類叫做 zipper coupled tube 的剛體折紙管子。
它雖然只能在一個(gè)方向上折疊運(yùn)動(dòng),但是彎曲剛度(不容易被掰彎)和扭轉(zhuǎn)剛度(不容易扭轉(zhuǎn))都很強(qiáng),既靈活,又堅(jiān)固,有望成為機(jī)器人、航空航天、建筑學(xué)的超材料。
zipper coupled tube 剛體折紙的各種組合玩法
@georgia tech
華盛頓大學(xué)的研究者演示,這種剛體折紙多面體有很好的彎曲剛度——
不過,會(huì)玩折紙的不僅是人類,大自然也有鬼斧神工的折紙。許多復(fù)雜的生物組織,實(shí)際上都是折疊而成的。
我們之前也講過,土豆花、山毛櫸嫩葉的葉子都是折疊起來的,赭帶鬼臉天蛾(Achaerontia atropos)腹部氣囊采用的也是克雷斯林圖案折疊而成。
這些生物組織本身就是片狀,能折疊似乎并不奇怪。但是你知道嗎,獨(dú)角仙還有金龜子的角,也是折出來的哦。
實(shí)際上,雄性獨(dú)角仙(Trypoxylus dichotoma)、雄性金龜子等甲蟲在前蛹時(shí)期(變成蛹之前的時(shí)期),角就是折疊起來的。
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雄性獨(dú)角仙在成蟲前的前蛹期,角的皮膚是折疊起來的,形成了一個(gè)個(gè)小圓盤。
@DOI:10.1038/sj.hdy.6800868
原來,在獨(dú)角仙的角的表皮細(xì)胞增殖的時(shí)候,會(huì)折疊成一層層類似于等高線的圓片,在變成蛹時(shí)候,才會(huì) biu~~ 一下層層展開,挺成牛氣哄哄的角。
獨(dú)角仙:誰(shuí)年輕時(shí)沒燙過泡面頭?