你印象中的折纸是什么?是幼儿园的手工课?的确多动手可以提高小朋友的小脑发育和协调能力,但是!如果你只看到这个作
用,你就太“狭隘”啦。
比如以下图片,你以为看到的是纸盒吗?大错特错,谁能想到有朝一日能借助它,循环利用宇宙飞船,制造超级英雄的服装,甚至给电子产品充电而这一进展依赖于古老的折纸技艺
那么,让我们从头说起,这是一种“朴实无华”的超材料,不是各种科技文章中被吹得天花乱坠的新型材料
超材料指的是一类具有特殊性质的人造材料,这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质,比如让光、电磁波改变它们的通常性质,而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处,它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。基于特定的人工结构,超材料有着惊人的性能。华盛顿州立大学的某个科研团队,能通过亚克力或纸张等简单的材料设计出现实扭曲特性,这一设计来源于折纸的数学概念。
至少从17世纪开始,古老的折纸技艺在日本已为人知晓和应用,但通过反复折叠二维纸张形成复杂结构这其中的动力学却鲜有研究,当时人们的研究能力和认知水平还没有深入到动力学领域。
当时一定是没人思考这些问题的,比如你莫比乌斯带它到底有几个面呢?它是二维的还是三维的?
以此为出发点,再往前多思考几步,就会发现折纸的原理是很多科技的核心的。一个古早实用的技术,一直在蓄积力量,储备撬动科技发展的能力。
时间来到现代,从太空望远镜使用的深海机器人,到药物输送系统再到人造肌肉,在这个事例中,航空工程师们运用TCO(三角圆柱形折纸的缩写)形状,创建了一个非常漂亮的模型。看形状就知道为什么叫这个名字了,与其他受压时会变硬变结实的超材料不同,这种结构有着“受力后变软”的表现,这本质上意味着,工程师找到了将压缩波转化为张力波的方法也就是将推力或撞击力转化为拉力。
让我们再来复习一遍!
这个结构——因其平面折痕,张力点的排列方式,在只需要用到日常的材料和几何形状,可以逆转力的方向,这简直就是科学魔法。
在这个3D模型中,当压缩波的冲击穿越该结构时,在它前面会产生一个相反的力,即以蓝色显示的张力波,这一过程发生得太快,张力波和冲击力产生碰撞,从而大大地软化抵消了冲击力,这真是够疯狂的。
想象一下用这种材料做橄榄球头盔或安全气囊,在易发生自然灾害(如地震)地区
将这种材料用于建筑那能发挥多大的作用呢?
如果我们能找到有效地将动能电磁能或热能转换为电能的方法,我们也许可以完全抛弃传统电池
动能向其相反方向的一种转化,实际上是这条路上的一大步
太神奇了,一项古老的技艺为21世纪惊人的科技创新铺平了路!