“银翼杀手”，“空中监狱”，“大雨”-这些大众文化的代表有什么共同点？总而言之，日本折纸艺术是一种古老的折纸。在电影，游戏和现实生活中，折纸通常被用作某种感觉，某种回忆或某种信息的象征。它是折纸的情感成分，但是从科学的角度来看，纸面人物隐藏了来自各个方向的许多有趣方面：几何，数学甚至力学。今天，我们来看看一项研究，其中美国物理研究所的科学家通过折叠/展开折纸图形来创建数据存储设备。纸质存储卡的工作原理如何，其中实现了什么原理，这种设备可以存储多少数据？我们将在科学家的报告中找到这些问题的答案。走。
很难确切地说出折纸是什么时候产生的。但是我们肯定知道不早于公元105年蔡伦是在今年发明纸的。当然，到目前为止，纸已经存在，但是它不是由木头制成的，而是由竹子或丝绸制成的。第一种选择并不容易，第二种选择非常昂贵。蔡龙受委托为纸张提出一种新的配方，该配方将变得轻巧，便宜且易于制造。蔡伦不是一件容易的事，但是蔡伦转向了最受欢迎的灵感来源-自然。长期以来，他观察到了黄蜂，黄蜂的住所是用木材和植物纤维制成的。蔡伦进行了许多实验，在其中他使用了多种材料来混合水，以制成未来的纸张（树皮，烟灰甚至渔网）。将得到的物质以特殊形式布置并在阳光下干燥。这项艰巨的工作的结果是现代人纸张的平淡无奇的主题。
2001年，以蔡伦命名的公园在中国Lei阳开业。
纸张向其他国家的传播并不是立即发生的，只是到了7世纪初，它的配方才传到了韩国和日本，而纸张才在11-12世纪才传到欧洲。
当然，纸张最明显的用途是手稿和印刷。但是，日本人找到了一种更为精美的应用-折纸，即折叠纸制人物。
简短介绍折纸和工程世界。
有很多折纸选项以及制作折纸的技术：简单折纸，kusudama（模块化），湿折叠，图案折纸，kirigami等。 （《折纸的基本指南》）
从科学的角度来看，折纸是一种机械超材料，其性质取决于其几何形状，而不是其制成材料的性质。长期以来已证明，可以使用重复的折纸图案创建具有独特属性的通用3D可部署结构。
图像1号
在图像1b中显示了这种结构的一个示例-可伸缩的风箱，根据1a中的方案由一张纸制成。从可用的折纸选项中，科学家们确定了一个选项，该选项实现了以周期性对称排列的相同三角形面板的镶嵌，这被称为Cresling折纸。
重要的是要注意，基于折纸的结构有两种类型：刚性和非刚性。
刚性折纸是三维结构，在展开过程中，只有面板之间的折痕会变形。
硬折纸的主要示例是Miura-ori，它用于制造具有负泊松比的机械超材料。这种材料具有广泛的应用：太空探索，可变形的电子设备，人造肌肉，当然还有重新编程的机械超材料。
非刚性折纸是三维结构，在展开过程中在折痕之间显示面板的非刚性弹性变形。
这种折纸变化的一个示例是前面提到的Cresling模式，该模式已成功用于创建具有可定制的多稳定性，刚度，变形，软化/硬化和/或几乎为零的刚度的结构。
研究成果
受古代艺术的启发，科学家决定使用Kresling的折纸来开发一组机械二进制开关，通过使用施加于开关底部的单个受控谐波激励输入，可以迫使它们在两种不同的静态之间进行切换。
如在图1b中所见，波纹管的一端固定并且在另一自由端沿x方向承受外部载荷。因此，它会同时沿x轴和绕x轴偏转和旋转。当去除外部载荷时，波纹管变形期间积累的能量被释放，从而使波纹管恢复其原始形状。
简而言之，我们看到了扭转扭力弹簧，其恢复能力取决于波纹管的势能函数的形状。这，反过来，取决于几何参数（a 0，B 0，γ 0）用于构造这些三角形（的波纹管，以及总数量（n）的复合三角1A）。
对于结构的几何参数的某种组合，波纹管的势能函数具有对应于一个稳定平衡点的单个最小值。对于其他组合，势能函数具有两个最小值，分别对应于两个稳定的静态波纹管配置，每个配置都具有不同的平衡高度或弹簧挠度（1c）。这种类型的弹簧通常称为双稳态（以下视频）。
图像1d显示了在n = 12时导致双稳态弹簧形成的几何参数和导致单稳态弹簧形成的参数。
在没有外部负载的情况下，双稳态弹簧可以停在其平衡位置之一，并且在有适当量的能量可用时，可以被激活以在它们之间切换。正是此属性是本研究的基础，该研究探索了具有两个二进制状态的Kresling启发式机械开关（KIMS ）的创建。
特别是，如1c所示，可以通过提供足够的能量来克服势垒（∆E）来激活开关，使其在两种状态之间转换。可以通过缓慢的准静态驱动来提供能量，也可以通过在开关的各种平衡状态下以接近开关本地谐振频率的激励频率向开关的基极施加谐波信号来提供能量。在这项研究中，决定使用第二种方法，因为某些参数的谐波谐振响应优于准静态响应。
首先，共振致动需要较少的切换力并且通常更快。其次，谐振开关对不会在其本地状态下与开关谐振的外部干扰不敏感。第三，由于电位切换功能通常关于不稳定的平衡点U0不对称，因此从S0切换到S1所需的谐波励磁特性通常不同于从S1切换到S0所需的谐波励磁特性，从而有可能进行励磁选择性二元切换。 ...
这种KIMS配置非常适合在同一谐波激励平台上使用具有不同特性的多个二进制开关来创建多位机械存储板。这种装置的产生是由于开关的势能的函数形式对主板（1e）的几何参数的变化敏感。
因此，可以将具有不同设计特征的多个KIMS放置在同一平台上，并使用不同的激励参数组合单独地或组合起来激励以从一种状态过渡到另一种状态。
在实际测试过程中，使用密度为180 g / m 2的纸张创建了一个开关。有几何参数：γ 0 = 26.5°; b 0 / a 0 = 1.68; a 0 = 40 mm且n =12。通过计算（1d）判断，正是这些参数，导致最终的弹簧将是双稳态的。使用波纹管的轴向桁架（杆的结构）的简化模型进行计算。
使用激光，在折叠的纸片上打出穿孔线（1a）。然后折叠被沿着边缘由b 0（向外弯曲），γ 0（向内弯曲），并且远两端被紧密地连接。开关的顶部和底部表面已用丙烯酸多边形加固。
开关的恢复力曲线是通过在具有特殊设置的万能测试机上进行的压缩和拉伸测试通过实验获得的，该特殊设置允许基座在测试过程中旋转（1f）。
丙烯酸开关多边形的端部被牢固地固定，并且以0.1mm / s的预定速率将受控的位移施加到顶部多边形。循环施加拉伸和压缩位移，并限制在13 mm以内。在即将进行实际设备测试之前，通过在50N称重传感器记录恢复力之前执行十次这样的负载循环来配置断路器。在1克显示了通过实验获得的开关恢复力的曲线。
然后，通过对开关在操作范围内的平均恢复力进行积分，计算出势能函数（1h）。势能函数的最小值是与两个开关状态（S0和S1）相关的静态平衡。对于此特定配置，S0和S1分别出现在展开高度u = 48 mm和58.5 mm处。势能函数显然是不对称的，在S0点具有不同的能垒∆E 0，在S1点具有∆E 1。
将开关放置在电动振动台上，该电动振动台可在轴向上控制基座的励磁。响应于该激励，开关的顶表面垂直振荡。用激光振动计（2a）测量开关的顶面相对于基座的位置。
图像＃2
发现，对于两个状态，开关的本地谐振频率对于S0是11.8 Hz，对于S1是9.7 Hz。为了启动这两种状态之间的过渡，即从势阱*退出，围绕识别出的频率执行了非常慢的（0.05 Hz / s）双向线性频率扫频，基本加速度为13 ms -2... 具体来说，KIMS最初位于S0，增量扫描频率为6 Hz。
势阱* -粒子势能局部最小的区域。如在图2b中所见，当激励频率达到大约7.8Hz时，开关退出S0电势阱并进入S1电势阱。随着频率进一步增加，开关继续保持在S1。
然后将开关再次设置为S0，但是这次以16 Hz的频率开始向下扫描。在这种情况下，当频率接近8.8 Hz时，开关退出S0，进入并保持在势阱S1中。
S0状态的激活频带为1 Hz [7.8，8.8]，加速度为13 ms -2，而S1-6 ... 7.7 Hz（2s）。由此得出结论，由于相同幅度但频率不同的基极的谐波激励，KIMS可以在两种状态之间选择性地切换。
KIMS开关带宽对其势能函数的形状，阻尼特性和谐波激励参数（频率和幅度）有着复杂的依赖性。另外，由于开关的非线性软化特性，激活带宽不一定包括线性谐振频率。因此，为每个KIMS分别创建一个开关激活图很重要。该图用于表征激励的频率和幅度，从而导致从一种状态切换到另一种状态，反之亦然。
可以通过在不同激励水平上进行扫频来实验性地创建这种映射，但是此过程非常费力。因此，科学家们决定在此阶段继续使用实验（1h）中确定的势能函数对开关进行建模。
该模型假设开关的动态行为可以由非对称双稳态Helmholtz – Duffing振荡器的动力学很好地近似，其运动方程可以表示为：
其中u是丙烯酸多边形的运动边缘相对于固定边缘的偏差；m是开关的有效质量；c-粘滞阻尼系数，通过实验确定；一种i s-恢复力的双稳态系数；a b和Ω-基值和加速频率。
建模的主要任务是使用此公式建立b和Ω的组合，从而允许在两个不同状态之间进行切换。
科学家注意到，双稳态振荡器从一种状态转换到另一种状态的临界激发频率可以通过两个分叉频率*近似：周期倍增分叉（PD）和循环折叠分叉（CF）。
分叉* -通过更改系统所依赖的参数来对系统进行定性更改。使用近似值，可以在两种状态下绘制KIMS的频率响应曲线。曲线2e显示了在两个不同的基线加速度水平下，开关在S0处的频率响应曲线。
在5ms -2的基线加速度下，AFC曲线显示出轻微的软化，但没有不稳定或分叉。因此，无论频率如何变化，开关都保持在S0状态。
但是，当基本加速度增加到13 ms -2时，随着驱动频率的降低，PD分叉会降低稳定性。
以相同的方式，获得了开关在S1（2f）中的频率响应曲线。加速5ms-2观察到的图像保持不变。但是，随着基本加速度增加到10 ms -2，PD和CF分叉出现。在这两个分叉之间以任何频率激励开关会导致从S1切换到S0。
仿真数据表明，激活图中有广阔的区域，可以以独特的方式激活每个状态。这允许根据触发器的频率和幅度在两个状态之间进行选择性切换。您还可以看到存在一个区域，两种状态可以同时切换。
图片编号3
几种KIMS的组合可用于创建几位的机械存储器。通过改变开关的几何形状，以使任意两个开关的势能函数的形状充分不同，可以将开关的激活带宽设计为不重叠。结果，每个开关将具有唯一的驱动器参数。
为了证明这种技术，一个2位的板用不同电位特性两个开关（的基础上创建的图3a）：位1 - γ 0 = 28°; b 0 / a 0 = 1.5; a 0 = 40毫米，n = 12；位2 - γ 0 = 27°; b 0 / a 0= 1.7; a 0 = 40 mm且n =12。
由于每个位都有两个状态，因此可以实现总共四个不同的状态S00，S01，S10和S11（3b）。S后面的数字表示左（位1）和右（位2）开关的值。
以下视频显示了2位开关的行为：
在此设备的基础上，您还可以创建一组交换机，这些交换机可以作为多位机械存储卡的基础。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他补充材料。
结语
几乎没有折纸的创造者能够想象他们的创作将如何在现代世界中使用。一方面，这谈到了普通纸质人物中隐藏的大量复杂元素。另一方面，现代科学能够利用这些元素来创造全新的事物。
在这项工作中，科学家能够使用Cresling的折纸几何形状来创建简单的机械开关，根据输入参数的不同，该开关可以处于两种不同的状态。可以将其与经典的信息单位0和1进行比较。
将得到的设备组合到一个能够存储2位的机械存储系统中。知道一个字母占用8位（1个字节），就产生了一个问题-例如，写“战争与和平”将需要多少类似的折纸。
科学家们很清楚他们的发展会产生怀疑。然而，按照他们自己的话说，这项研究是对机械记忆领域的探索。此外，实验中使用的折纸不应太大；可以大幅减小折纸的尺寸，而不会降低其性能。
即便如此，这项工作也不能被称为普通，琐碎或无聊。科学并不总是被用来发展特定的事物，科学家也不总是一开始就知道他们正在创造什么。毕竟，大多数发明和发现都是一个简单问题的结果-如果呢？
谢谢您的关注，请保持好奇，祝您周末愉快！:)
一点广告
感谢您与我们在一起。你喜欢我们的文章吗？想看更多有趣的内容吗？通过下订单或向朋友推荐，为开发人员提供云VPS，最低价格为4.99美元，这是我们为您发明的入门级服务器 的独特类似物：关于VPS（KVM）E5-2697 v3（6核）的全部真相10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps从$ 19还是如何正确划分服务器？（RAID1和RAID10可用的选件，最多24个内核和最多40GB DDR4）。
阿姆斯特丹的Equinix Tier IV数据中心的Dell R730xd 2x是否便宜？仅在荷兰有2台Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100电视！戴尔R420-2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB-$ 99起！阅读有关如何构建bldg的基础结构的信息。戴尔R730xd E5-2650 v4服务器上的价格为9000欧元的价格？