萬物皆可折疊：繼NASA用來造飛船太陽能板后，人們又用“折紙”拯救流浪者

這一次，哈佛研究團隊又將折紙應用到充氣結構中，試圖用可迅速自動展開、穩定性高且攜帶方便的充氣折疊帳篷為流浪者們提供可靠的避難所。

2016年的7月8日，環法自行車賽第七賽段進入冠軍爭奪階段，英國車手斯蒂芬一卡明斯沖過終點線拿下賽段冠軍。

正當人們為此慶祝時，意外的一幕發生了一一充氣拱門在選手們最后一公里沖刺時倒塌，選手們來不及減速直撞在拱門上，賽道擁堵一片，現場混亂不堪。

此前又有《衛報》報道稱，英國一煙花匯演現場的大型充氣滑梯倒塌，8名兒童從高處墜落，受傷情況嚴重。

從臨時醫院到運動場館，充氣結構在建筑當中的應用越來越多。但多數充氣結構都是單穩態結構，需要恒定輸入氣體來保持充氣結構穩態。什么是“單穩態”？

即當你施加外力時，它可以改變狀態，而一旦外力撤銷，其狀態則無法保持，所以單穩態是不穩定的，例如樓道里的聲控燈，沒有持續的聲音燈只能堅持幾秒就滅。

這種單穩態的充氣結合在以往的諸多意外事故中都讓人對其安全性和穩固性產生不信任。

近日，《自然》發表了一項工程學領域的最新研究成果，論文中，哈佛研究團隊介紹了一種受折紙啟發的充氣結構設計，該結構在充氣展開后可以穩定地固定在原地，并不需要持續充氣就能維持形態。

該結構實際上是一種大型折紙，通過特殊的折疊，該結構可原地部署并穩固地被“鎖定”。此研究為大型結構的工程學應用奠定基礎。

流浪者的福音：“說走就走”的安全避難所

論文通訊作者、美國哈佛大學卡蒂亞·貝托爾迪教授和他的同事受到折紙藝術的啟發，開發了一個三角形積木庫，這些積木可以彈出或折平，甚至還可以用不同的配置進行組合，以建立封閉、多態的結構。

我們都知道，三角形是最穩定的形狀。通過基礎的三角形來進行多項組合，加之鉸鏈裝置的靈活度，研究團隊設計出能在充氣后能自主支撐擴展的折紙結構，該結構可以用真空泵壓縮變回扁平。

美國東南大學材料科學和機械工程系副教授、論文共同第一作者本杰明·格里森說：“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制作這些積木，包括廉價的可回收材料。”

研究者演示了一個用厚塑料板制成的2.5米×2.6米×2.6米的避難帳篷，折疊后帳篷的尺寸只有1.0米×2.0米×0.25米。今天的軍事野戰醫院搭建一個避難帳篷需要十幾個人，而現在只需要兩個人。

“你可以想象這些庇護所被部署為災區應急響應的一部分。”哈佛大學的博士生、該論文的第一作者之一大衛一梅蘭說。“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。一旦被充滿，你就可以移除壓力源開始給下一個帳篷充氣。”

這些積木構建可以根據需求隨意組合搭配，以搭建任何尺寸和形狀的結構。研究人員這次還展示了其他作品，包括一個拱門，一個可延伸的吊桿和一個寶塔式結構。

“我們已經打開了一個前所未有的大型充氣結構的設計空間，這些結構可以平整折疊，并保持其部署的形狀，且沒有破裂的災難性風險”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墻結構圍護，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。”

盡管如此，研究者們也指出，在成果真正投入大規模使用前，還有很多問題亟待解決，大型物體可能更容易受到壓縮、拉伸應力以及變形的影響，這些變量都要考慮在內。

通過古老的折紙藝術走向未來

折紙（折の紙，Origami）被西方國家認為是一項起源于日本的古老藝術，這一點從它的英文得以一窺。從醫學、材料、機器人設計再到太空飛船項目，如今“折紙結構”的應用已越來越廣泛，研究者們越發從這項以往只屬于童年回憶的傳統藝術中汲取到了邁向未來的動力。

什么是“折紙結構”（origamiStructure）？通常認為，不經過剪裁、拼貼和撕裂，僅由一張紙折疊而成的結構叫做折紙結構。

折紙結構的最大好處便是節省體積。這對于寸土寸金的太空探索項目來說至關重要。

布萊思·特雷塞還在日本學習時，曾在快餐店里把漢堡包裝紙折成一個起重機，當時還是學生的他喜歡泡在圖書館里研究不同的折紙技術。

如今，特雷塞已成為NASA噴氣推進實驗室的（JPL）的一名機械工程師，他在思考如何將折紙融入太空設備。

特雷賽與楊百翰大學的研究人員合作，在NASA技術研究獎學金的資助下進行折紙結構設計航天器組件的研究。兩個夏天之后，特雷賽展示了他們的成果一一一個可折疊的太陽能電池板。

此前的太空設備中已包括了一些簡單的折疊設計，像扇子或手風琴，但特雷塞和他的同事對更復雜的折疊工藝感興趣，這些折疊工序可以簡化整體機械結構并簡化部署。

在他們的設計下，直徑長達25米的太陽能電池板可以在折疊情況下縮小到2.7米，折疊、打包一氣呵成，這不僅為宇航員們節省了不少空間和成本，也為火箭運輸降低了難度。

特雷賽說道：“這是藝術、文化和技術的獨特結合。”

特雷賽提到的“三浦折疊”，是由日本天體物理學家三浦公亮發明的一種特殊折疊方法。該結構只需沿著單一軸線方向拉伸，即可展成平行四邊形的“棋盤”，反向一推即可立即收攏。“三浦折疊”的放縮比為25：1，中國設計師裴浩正后來改進為81：1。

“三浦折疊”在隔音墻、太陽能電池板、衛星等方面得到良好的應用，因此在2006年被日本經濟產業省評為百大發明之一。

特雷賽及其同事的設計受到“三浦折疊”的啟發，但使用的并不是“三浦折疊”，而是多種折疊方式的組合。

特雷賽表示，直到40年前，折紙才被正視為一項嚴肅的數學分析議題。如今，人們對越來越感興趣將折紙與現代技術結合起來。

他說道：“人們認為折紙是個‘老玩意，但人們仍在用數學這一古老學科來創造新事物。”（摘自美《深科技》）（編輯/諾伊克）