从折纸艺术到建造方法？
折纸能将一张纸变成一只漂亮的千纸鹤，纸张折叠艺术背后的原理同样也可用于制作进行血液测试的装置或在火箭货舱中储藏卫星的太阳能帆板的微型流体控制装置。 宾夕法尼亚大学研究员们将折纸艺术转变成一种能够应用于建造长度尺度参差不齐的结构的技术。这里的折纸艺术是一种与剪裁纸张相关的艺术。
在新研究中，研究员们制定了一些将六边形格子折叠和剪裁成有各种用途的三维形状的规则。因为这些规则能保证六边形格子在被剪裁和折叠后仍然保持比例一致，所以这些规则可以应用于具有任何初始尺寸的材料。这就使得材料的选择与它们最终的应用联系起来，不管是应用于纳米科技、建筑和还是空间领域。 来自校物理与天文学学院艺术与科学系的博士后研究员Toen Castle、来自校材料科学与工程学院工程与应用科学系的教授Shu Yang和同样是物理与天文学学院的教授Randall Kamien共同完成了这项研究。本科生Xingting Gong、博士后研究员Daniel Sussman、Kamien教授带领的研究团队、研究生Euiyeon Jung、Yang教授带领的研究团队以及同时为这两个团队的服务的博士后研究员Yigil Cho都对这项研究做出了相应贡献。 该研究成果被发表在《物理评论快报》杂志上。 “如果你看到一个奇幻的剪纸，”Kamien教授说，“它可以有任意微小的折叠。我们正希望像这样简单地制造东西。如果存在折叠和剪裁的尺寸标准，我们可以将数学应用到任何长度尺度。不需要知道纸张的任何尺寸信息，我们就可以制作通道、门、台阶和其它任何三维形状，然后将这些砌块组合成更加复杂的形状。” 使用六边形格子看起来是一个非常古怪的选择，但是与看似简单的由方格制作的镶嵌图相比，这种形状具有它的优势。 “连接六边形的中心形成三角形，”Castle博士说，“因此，如果使用六边形格子，无形之中就建造了三角形。这就好比使用一种格子获得两种格子，而如果使用方格，只会得到方格。” “另外，”Yang教授说，“使用六边形格子从二维形状制作三维形状也相对容易。这就是为什么大家会在自然界中看到的一些类似的东西，比如蜂窝。” 由纸张上的平面六边形格子，研究员们总结出了基本的剪裁和折叠方法，这样就可以保证制作的形状的比例与起始的格子保持一致，即使一些材料被移出。对于从纸张到应用于真实世界的材料的转变来说，这是一个关键的质量标准。 “举个例子，你可以将这种纸想象成可以躺在上面的网格杆，”Castle博士说。“或者，将其想象成支架膜。这两种概念都是从理论开始的。问题在于你是否想在它们之间建造杆子或原材料。” 借鉴基本的数学原理得出一系列规则表明剪纸方法可以绕开长度尺度问题而与几乎所有材料应用在一起。 “我们制定的规则告诉你怎样去剪裁才能实现直线折叠或者是当你将它们折叠在一起时，可以保持杆子尺寸和杆子中心之间的距离相同。折叠时或许需要将一些杆子折弯，或在一些杆子之间采用铰链连接，这样以来，你就不能将它们展开。也就意味着整个结构锁死以至于你不能将它们折叠，”Kamien教授说。 “这样就是说它只关系到依据应用具的属性进行材料选择，”Yang教授说。“我们可以使用纳米材料，如石墨烯，可以使用制作衣服的材料，也可使用大家将会在空间站或卫星中看到的材料。” 制定的规则还可以保证基本形状“模块”组合成更加复杂的形状，比如可以直接通水的通道。例如，反复的折叠和剪裁制作棘轮联接，可以实现不同位置的自锁。这种结构特性能改变通道的体积，甚至可以作为机器人的执行机构。 折纸艺术对纳米应用具有非常大的吸引力，纳米应用需要最简单、空间效率最高的形状，恰巧自折叠材料能够避免一些这种小尺度应用固有的制造挑战。
视频来源：宾夕法尼亚州立大学 本文版权属研发埠所有，如需转载请注明出处！ |
