Nature:哈佛团队发明多稳态充气折纸结构,瞬间撑起小帐篷

Nature:哈佛团队发明多稳态充气折纸结构,瞬间撑起小帐篷

充一下气就能自己支撑起来的拱门和帐篷,图片来源@Nature

文丨学术头条,作者丨库珀,编审丨寇建超

临时结构通常存在设计上的短板,要么可以轻松放置和拆卸,要么可以压缩起来紧凑运输,要么结构坚固却十分笨重,想要在这三点之间找一个平衡,从工程学角度来讲是项不小的挑战。

最常见的方法,例如帐篷,主要是由相互连接的杆元件组成,外面蒙上一层织物,这些杆元件可以同步伸缩,然后把连接各个杆的 “关节” 锁定,就能形成一个相对稳定的结构,不过这个组装过程比较繁琐,遇到大风也很容易被掀翻。

其次就是利用充气膜,通过单一的压力输入使其变形为目标形状,这种结构需要很好的气密性,有时候还需要持续充气,如果阀门泄漏或者被刺破,很快就会萎缩甚至发生爆炸事故。

而建筑工地上随处可见的临时板房就不用说了,结构相当稳固,但板材运输、拆卸搭建多有不便。

现在,十分有创意的解决方案来了。来自哈佛大学的科学家团队成功开发出一种米级、多稳态的充气折纸结构,而灵感来源于古老的折纸手艺。

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图|折纸可形成一定的稳固结构或样式(来源:Cristian Marianciuc)

这种充气折纸结构折叠起来时非常容易收纳,但充一下气就能自动展开成特定的空间结构,比如拱门或避难帐篷等,不需要额外在内部进行结构支撑,这项研究或为大型折纸结构的工程学应用铺平了道路,相关论文于 4 月 22 日发表在《自然》(Nature)上。

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当折纸遇见几何学

这项研究成果,可以称得上是几何科学和折纸艺术的一次完美碰撞。

论文的通讯作者之一卡蒂娅・贝托迪(Katia Bertoldi)是哈佛大学应用力学教授,致力于研究材料和结构的力学;另一位通讯作者查克・霍伯曼(Chuck Hoberman)则是一位知名的艺术家、工程师、建筑师和发明家,其特长就是研究折叠玩具和相关结构,他发明的 “霍伯曼球体” 曾被纽约现代艺术博物馆收藏。

关于打造一个全新的充气折纸结构,研究人员们在下手之前就有以下几点设想:(1)折叠时占据尽可能小的体积;(2)能自主展开;(3)展开后自主锁定到位;(4)能提供结构牢固的外壳(如果设计用于定义封闭环境)。

想要达到上述几点要求,团队需要从折纸的第一个环节开始:折三角形。

三角形折纸作为一种艺术形式的同时,具有较强的物理功能特性,而这种全新折纸结构的实现,难度就在于选择什么样角度的三角形,以及如何将诸多三角形拼合到一个空间物体中,且相互之间是几何兼容的状态。

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图|三角形面作为大型充气和双稳态结构的构建块(来源:Nature)

这个看上去很复杂的问题,依据的几何原理却很基础,即某些三角的角度可以在一个圆中保持固定,它移动到不同位置会有不同的边长变化,而一个三角形可以在圆中的不同位置找到能够重合的另一个三角形。

经过一系列复杂的几何分析和实验数据积累,研究人员得以创建了一个双稳态折纸图形库,用来匹配不同三角形边、角的最佳组合。在驱动设计方面,采用单一的流体压力输入来部署,然后,还可将不同的单元组合起来,以米为单位构建更大的功能性结构,如拱门和应急避难帐篷,形成大型充气结构系统。

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图|双稳态和充气折纸构造原理(来源:Nature)

这些不同三角形的面板可以由特殊的材料板制成,用来保障其坚固性、隔音性和保温性等,然后由相对柔性的 “铰链” 拼接在一起,根据空间和预期的模型形状变化,推算这些三角形的大小和排列组合,以创建单一稳定或者多稳定性的结构系统。

在研究人员的演示中,他们制作了一个高 20 厘米、宽 30 厘米的折叠结构,其充气后可膨胀成为高 60 厘米宽 150 厘米的充气拱门。

 

另外一个作品是,折叠后尺寸只有 1.0 米 ×2.0 米 ×0.25 米的扁平压缩包,展开后是一个内部空间达 2.5 米 ×2.6 米 ×2.6 米的帐篷,由于多稳态结构设计,在不影响结构完整性的情况下这个帐篷的一个面还可当作 “门” 被打开,从而使帐篷易于进出,非常具有实用价值,用完之后,再拿真空吸尘器抽一下内部空气,小帐篷即可以自主折叠回扁平状态。

迄今为止,有关折纸的大部分作品基本都留在厘米级尺寸,但科学家们利用其中的设计理念,将折纸的几何形状推向了新的极限,从而能变得大得多,而且结构十分稳定。

充满想象的用途

研究人员在论文结论中表示,这一成果展示了如何有效地利用几何学来实现压力展开折纸结构,且同时实现两种能力配置:一个是紧凑和一个是扩展。如果需要考虑到负载条件和制造方面的挑战,这种设计方法还可以扩展到更大或更小的规模。

由于这种折纸结构是多稳态的,因此它们可以设计成实现不同部署目标的序列,通过引入两个以上不同面的构建模块,进一步扩展其可实现形状的范围。

作为这项研究的补充,研究人员开发了一个能够预测全能量景观的力学模型,这提供了一个有效的工具来指导更多有趣的相关探索。此外,这项研究成果所发明的设计规则,也可以推广到任意折纸多面体上,并结合随机优化算法求解逆设计问题,进而有效计算出能在目标稳定状态之间切换的可展开结构。

把折纸技术整得这么高级有什么用呢?显而易见,以上述能折叠的小帐篷为例,贫困地区和受灾地区紧急避难所的人们十分需要它,这个 “折纸帐篷” 就像一个小房子,相比容易被吹倒、吹翻的自建帐篷,以及繁琐的搭建过程,这种折叠帐篷只需要一个人和一台气泵,充一次气就能快速展开,而且结构稳定,便于大量运输,不需要持续进行充气。灾区物资支援人员充完一个再去充下一个,效率会十分高,快速部署给灾民提供庇护。

研究人员对这种技术还有更多展望,比如可以用作防洪屏障、音乐厅中的可变回音板,甚至是航天器上所需的复杂折叠结构。

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在建筑设计领域,这种结构理念可能也是一种新颖的建筑辅助方式,与传统的建筑材料和空间搭配,能够形成一个可变的空间系统,比如下图所展示的会议室和创意建筑,堪称满满的几何美学和艺术感。不过,大跨度结构在部署的阶段需要有更牢固和抗老化的结构,以满足建筑法规的要求。

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这不禁令人感叹,艺术和科学一定程度是相通的吧,谁能想到,不起眼的折纸手艺还能这样玩?

来自普林斯顿大学土木与环境工程系的专家 Sigrid Adriaenssens 在评论这项研究时表示,这种折纸结构优点多多,例如节省储存空间、运输成本和搭建时间,自动展开锁定,还能确保展开后结构牢靠等特性,值得称赞。

但在大规模投入使用前,还有很多问题需要解决。比如大型物体可能更易受到压缩和拉伸应力以及变形的影响。另外,因为 “铰链” 通常是任何工程设计中最昂贵和最脆弱的元件,所以最小化折痕的数量或将有助于降低制造成本,进一步加强折纸结构。

参考资料:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03407-4

https://www.youtube.com/watch?v=Y-6fKoqKEKo&t=159s

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/hjap-bps042021.php

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