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广西灵感来自折纸哈佛充气拱门大学研发多稳态充气式折纸结构

来源: 发布时间:2023-05-27 1658 次浏览

  虽然广西充气拱门易于运输和组装,但这种充气结构大都是单稳态的,需要恒定的压力输入才能保持固定形状。事实上,临时结构存在一个设计学上的短板:它要么结构紧凑便于运输,要么易于组装,要么坚固,但是三者难以兼得。例如广西充气拱门虽然易运输和组装,但难保安全和稳定性。

  事实上,传统的临时结构都未能很好的解决上述三者的兼容性问题。最常见的临时结构例如帐篷,它由相互连接的杆元件而成,外面覆上织物,形成一个密闭的空间。这些杆元件可以灵活伸缩,只要把连接各个杆的 “关节” 锁定,就能形成一个相对稳定的结构。然而,帐篷的组装过程一般比较繁琐,遇到大风也很容易被掀翻;另外一种则利用充气膜,通过恒定的压力输入使其膨胀为特定形状。这种结构需要需要持续充气,并且要求很好的气密性广西充气拱门,如果阀门泄漏或者充气膜被刺破,就会倒塌甚至发生爆炸。

  折纸艺术为解决这一问题提供了灵感。哈佛大学约翰 - 保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的团队研发的多稳态米级充气折纸结构找到了三者之间的平衡点。这种结构灵感源自折纸艺术,相关论文 4 月 22 日发表在 Nature 上。它在折叠时易于收纳,充气后可以形成稳定结构广西充气拱门,无需持续充气。论文的主要作者 Katia Bertoldi 说:“这项研究为新一代大型充气结构的应用提供了直接途径。这种结构在布置后即可固定,不需要持续充气就能够保持固定。”

  折纸已有较长的历史,科学家和工程师最近才将目光转向这一古老的艺术。“折纸的真正强大之处在于,可以用一张纸在三个维度上折叠成多种结构。” 论文的作者 David 说。在折纸的启发下,研究人员通过几何分析和实验,搭建了一个多稳态的折纸形状库,它可以组合多种形状,以构建闭合的双稳态甚至多稳态结构广西充气拱门。研究者将不同的三角形布置在同一空间内,将其重新排列于 “柔性铰链” 之上,从而分析如何组合不同三角形,以构建多种复杂结构。

  研究人员在论文中展示了许多不同形状的结构,例如拱门、可伸缩的吊杆甚至塔式结构。David 说:“这种结构由刚性面制成,它可以折叠得非常紧凑广西充气拱门。” 只需充气,它就可以膨胀成多种特定结构广西充气拱门

  为了测试该结构的稳定性和耐用性,研究人员用厚塑料板设计并建造了一个 1 米 * 2 米 * 0.25 米 * 的充气帐篷。在充气后,它可以迅速展开成一个内部空间为 2.5 米 * 2.6 米 * 2.6 米的帐篷广西充气拱门。“我们依靠构件的几何形状,而不是材料的特性实现稳定性。这意味着我们几乎可以用所有材料,包括廉价的可回收材料来制造这些构件。” 论文的另一位作者 Benjamin Gorissen 介绍说。

  迄今为止,关于折纸结构的大部分研究都以厘米为单位。SEAS 的研究将这一结构扩展了一个量级,实现了米级的折纸结构。这意味着广西充气拱门,该研究将促进大型折纸结构的工程学应用。David 说:“您可以想象,将这些充气式帐篷用作灾区应急响应的避难所。它们可以堆放在卡车上,只需要一个压力源就可以给它们充气。充气后,可以卸下压力源,为下一个帐篷充气。” 在灾害救援中,这种折纸能够节省运输成本、储存空间和安装时间,实现安全快速部署。如今,部署军事野战医院需要十几个人,而折纸结构的避难所可以由一两个人快速搭建。

  它不仅可以作为灾区的紧急避难所广西充气拱门,还具备多种应用前景。研究人员介绍广西充气拱门,充气折纸结构可以成为防洪屏障、音乐厅中的可变音板,甚至是太空中的可折叠卫星。此外,折纸结构通过应用不同的材料,可以满足新型建筑物对光、热的要求,成为传统建筑材料,例如混凝土和砖的有效替代物。

  “我们已经建造了前所未有的大型充气结构空间,该结构可以折叠成扁平状并保持其展开的形状,而不会发生灾难性的破裂风险。” 论文的合著者 Chuck Hoberman 说,“折纸结构通过可充气 - 复原的致动原理实现硬壁结构,我们相信它拥有重要的应用前景。不仅仅是在地球上,它还可能作为月球或火星探索的栖息地。”

  折纸充气结构使用的是高中课本上的简单几何原理,David 说。他们渴望通过最基本的几何原理的应用,革新工程技术并改变世界。不过,折纸结构走向实际应用还需进一步的研究。在大型结构被建造并用于建筑物中之前,仍需要解决几个问题,因为较大的物体更容易受到压缩应力和牵引力的变化的影响。灵感来自折纸哈佛广西充气拱门大学研发多稳态充气式折纸结构