受折紙啟發 科學家開發新一代穩定的充氣結構

據媒體報導,2016年,一個充氣拱門在環法自行車賽上造成了巨大的破壞,它倒塌後砸在了一名自行車車手身上,使他從自行車上摔了下來,在官員們爭相清理道路上的碎片時,比賽推遲了。官員們將拱門的倒塌歸咎於一名路過的觀眾的皮帶扣,但真正的罪魁禍首是物理學。今天的充氣結構,從野外醫院到體育場館,都是單穩態的,這意味著它們需要持續的壓力輸入,以維持其充氣狀態。失去這種壓力,結構就會回到其唯一穩定的形式–扁平。但是,如果這些結構有一個以上的穩定狀態呢?如果拱門充氣時和平放在地上時一樣穩定呢?

受折紙啟發 科學家開發新一代穩定的充氣結構

現在,哈佛大學約翰·A·鮑爾森工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員受折紙啟發,開發了雙穩態充氣結構。該研究發表在《自然》雜誌上。

「該研究為新一代堅固的大型充氣系統提供了直接的途徑,這些系統在部署後鎖定在原地,不需要持續的壓力,」SEAS的威廉和阿米-寬-達諾夫應用力學教授、該論文的資深作者Katia Bertoldi說。

受折紙的啟發和幾何學的指導,研究小組開發了一個三角形積木庫,可以彈出或折平,並以不同的配置進行組合,以建立封閉、多態的形狀。

受折紙啟發 科學家開發新一代穩定的充氣結構

受折紙啟發 科學家開發新一代穩定的充氣結構

美國東南大學材料科學和機械工程系副教授、論文共同第一作者Benjamin Gorissen說:「我們依靠的是這些積木的幾何形狀,而不是材料特性,這意味著我們可以用幾乎任何材料來製作這些積木,包括廉價的可回收材料。」

將他們的設計過程帶入現實世界,研究人員用厚厚的塑料板設計並建造了一個8*4英尺的充氣式庇護所。

「你可以想像這些庇護所被部署為災區應急響應的一部分,」東南大學的博士生、該論文的第一作者之一大衛-梅蘭芳說。”它們可以平放在卡車上,你只需要一個壓力源來給它們充氣。一旦它們被充氣,你就可以移除壓力源並轉移到下一個帳篷上。”

受折紙啟發 科學家開發新一代穩定的充氣結構

受折紙啟發 科學家開發新一代穩定的充氣結構

庇護所可以由一兩個人建立,而不是像今天的軍事野戰醫院那樣需要十幾個人部署。

這些折紙結構的構件可以混合和匹配,以創建任何形狀或尺寸的結構。研究人員建造了一系列其他結構,包括一個拱門,一個可延伸的吊杆和一個寶塔式結構。研究人員還設計了具有兩種以上穩定形式的形狀。

“我們已經解開了一個前所未有的大型充氣結構的設計空間,這些結構可以折疊平整,並保持其部署的形狀,而沒有災難性破裂的風險,”設計研究生院的皮爾斯-安德森設計工程講師、論文的共同作者查克-霍伯曼說。”通過使用可充氣的、可逆的驅動裝置來實現硬牆結構圍護,我們看到了重要的應用,不僅在地球上,而且有可能作為月球或火星探測的棲息地。”

來源:cnBeta