邁入科學殿堂的折紙術

張唯誠

折紙，是一種大多數人都做過的手工。一張正方形的紙可折成一個簡單的盒子、一只紙鶴或者一條精致的龍。顧名思義，折紙的材料當然應該是紙。但是，在現代的折紙術中，“紙”是一種寬泛的概念，可以是DNA、金屬或是植物的葉子。折紙不僅是一種藝術形式，它還啟發科學家們去解決各種各樣的技術難題。來自于折紙的靈感正在催生科學殿堂中一項項令人驚嘆的創新。

折紙藝術家的日常

羅伯特·朗原來是一位物理學家和工程師，在美國國家航空航天局的噴氣推進實驗室從事激光研究工作。他還是一名折紙藝術家，為了寫一本關于折紙的書，他辭去原來的工作，專心于折紙的研究。他參與了從外層空間太陽能電池陣列到醫用植入物的各種設計，這些設計的思想都來自于折紙產生的靈感。

作為一位折紙大師，朗以塑造非常復雜的作品而聞名。每一次折紙都是一個創造的過程。在折疊某種東西，例如昆蟲、青蛙或舞蹈者之前，朗通常要創建一個“折痕圖”，它就像折紙的“藍圖”。在折疊之前，朗對每個步驟和最終的成品都“心中有數”，他要把想法分解成一些形狀，這些形狀將最終組合在一起。例如，一只蝴蝶可能會被分解成翅膀、觸角等，然后他會思考怎樣的形狀最適合表現哪個部位，這需要幾何學的幫助。

為了給這種作品制作折痕圖，朗經常求助于計算機程序，這是一種數學軟件。通過程序，朗用代碼描述形狀，這些形狀構成他想要折疊的物體，而代碼的書寫則有賴于幾何和線性代數提供的知識。一旦有了代碼，電腦就能解決其中的任何數學問題，然后，計算機程序會為將要折疊的對象生成一個折痕圖。這樣，接下來的工作就不難完成了。

奇妙的自折疊

布蘭迪·肖是一位化學工程師。在北卡羅來納州立大學學習的時候，她參加了一個折紙研究團隊，想做一種可自我折疊的東西，它們可以在可控的狀態下自動形成理想的形狀。

首先，制作者要把幾種顏色的墨水印在一種聚合物上，那些印制的線條形成了“關節”，它們會對不同顏色的光做出反應。例如，一種青色或者藍綠色的墨水能吸收大約80%的紅光，這種光的波長為660納米，而黃色墨水則幾乎不吸收紅光，結果是，青色的“關節”在紅光的作用下會發生折疊，而黃色的“關節”沒有反應。當470納米的藍光照射在這種聚合物上時，情況則顛倒過來，這時黃色“關節”發生折疊，青色“關節”則不反應。

當聚合物的某個“關節”吸收了某種顏色的光后會變熱，導致這部分聚合物收縮并向內折疊，其折疊的程度取決于打印在聚合物上的“關節”擁有怎樣的寬度。

科學家們通過控制折疊的過程創造了很多東西，從嵌套的盒子到三維的花朵。這種折疊可不是為了好玩，而是可能被用來制造醫療設備，還可能被用來制造便于運輸的產品。這種產品在運輸的時候是壓扁了的，但一旦送到了顧客手中，光就可以把它們折疊成它應該成為的樣子。這種產品很容易展開和重新組裝。

靈感的來源

和肖一樣，另一位折紙高手古爾登·考麥西-于納爾也是一位化學工程師，供職于馬薩諸塞大學。她所開發的生物材料將來有一天也許會被用來修復甚至再生骨骼、心肌、血管和皮膚等。

考麥西-于納爾在折紙材料上培植骨細胞，隨著骨細胞的生長，它們將礦物質沉積在紙上。她希望依附于紙上的細胞能最終形成移植體，而這種植入物不太可能被人體的免疫系統所排斥。在這種技術成熟之前，人們還要做很多工作，例如怎樣使紙更堅固，怎樣在骨頭就位后讓紙在身體中自然分解等。

在未來，醫生們可以用這些在實驗室中培養出來的部件替換受損的骨頭，也可以用它們治療骨骼發育異常的患者。

折紙為科學家和技術人員提供了取之不盡的創新思想和設計靈感，這是因為折紙匯集了寶貴的思考“沖擊力”，它們來自科學、技術、工程、藝術和數學，折紙的魅力緣自于多方面的結合。