受折纸启发的柔韧、有弹性的桥梁可以帮助导航灾区

折纸艺术形式有望帮助开发新一代坚固建筑,甚至是月球栖息地。
Engineers constructing structure using their origami module materias
从左至右,机械工程研究员 Yi Zhu 和土木与环境工程及机械工程副教授 Evgueni Filipov,在安娜堡密歇根大学北校区 George G. Brown 实验室大楼的实验室中工作。Brenda Ahearn/密歇根大学工程学院、传播与营销部

折纸传统上涉及创作极其精致的纸质结构,但这种艺术形式的基本原理很快就可以被用于应对严峻的建筑挑战。这就是密歇根大学工程教授团队设计的一系列可折叠组件背后的理论。当这些部件通过铰链和锁展开并组装后,研究人员的部件会组合成极其坚固的模块化结构。鉴于其设计令人印象深刻的耐用性和空间经济性,这种新颖的仿折纸结构可以部署在自然灾区,甚至外太空。

合作者们在一项于 3 月 15 日发表在 Nature Communications 上的新研究中详细介绍了他们的工作。虽然创造者在首次测试中使用了中密度纤维板框架以及铝制铰链和锁定机制,但他们相信在未来的迭代中,塑料、封装玻璃或金属等材料都可以发挥作用。

在一个实验室示例中,工程师们利用了约一平方英尺的格子状、重复的三角形纤维板部件和金属铰链。尽管总重量不到 16 磅,但这些部件可以组合成一个 3.3 英尺高的柱子,能够支撑超过 2 吨的重量。在另一种情况下,相当于一个 1.6 英尺宽立方体的折纸部件可以展开并组装成多种结构,例如一个 6.5 英尺高的“公交车站”,一个 13 英尺高的垂直建筑柱,或者同等大小的步行桥。

为了实现改进的建筑设计,工程师们认识到均匀性优于选择性加固。

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虽然过去其他工程师曾尝试策略性地加厚其折纸建筑材料的某些区域,但研究人员创建的部件厚度标准化,以便更均匀地分布重量。由此产生的——模块化和均匀厚度仿折纸结构(MUTOIS)系统——不仅解决了长期存在的应力分布问题,而且根据用户的需求,如尺寸、用途和材料,实现了极大的定制化。

某些部件可以完全实心,或者在重复的三角形框架内包含部分开口。例如,根据团队的论文,人行桥在其底部使用了实心面板,两侧使用了桁架面板以实现“高效承载”。这些模块也允许根据需要更换和维修单个部件。

MUTOIS 系统目前依靠简单的连接器,而不是更专业、自锁定的设计。因此,这些结构需要人们手动构建他们设想的项目,而不是机器人辅助或工厂组装。尽管如此,该团队相信进一步的研究可以继续扩展 MUTOIS 系统的潜在用途,以帮助建造“航空航天系统、地外栖息地、机器人、机械装置等”。

 

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Andrew Paul

特约撰稿人

Andrew Paul 是 Popular Science 的特约撰稿人。


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