"Blade Runner", "Air Prison", "Heavy Rain" - was haben diese Vertreter der Massenkultur gemeinsam? Insgesamt gibt es bis zu dem einen oder anderen Grad eine alte japanische Kunst des Papierfaltens - Origami. In Filmen, Spielen und im wirklichen Leben wird Origami oft als Symbol für bestimmte Gefühle, Erinnerungen oder Botschaften verwendet. Es ist eher eine emotionale Komponente von Origami, aber aus wissenschaftlicher Sicht sind viele interessante Aspekte aus verschiedenen Richtungen in Papierfiguren verborgen: Geometrie, Mathematik und sogar Mechanik. Heute werfen wir einen Blick auf eine Studie, in der Wissenschaftler des American Institute of Physics ein Datenspeichergerät durch Falten / Entfalten von Origami-Figuren erstellt haben. Wie genau funktioniert eine Papierspeicherkarte?Welche Prinzipien sind darin implementiert und wie viele Daten kann ein solches Gerät speichern? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.
Es ist schwer genau zu sagen, wann Origami aufgetaucht ist. Aber wir wissen mit Sicherheit, dass nicht früher als 105 v. In diesem Jahr erfand Tsai Lun in China das Papier. Natürlich gab es bis zu diesem Zeitpunkt bereits Papier, aber es bestand nicht aus Holz, sondern aus Bambus oder Seide. Die erste Option war nicht einfach und die zweite war extrem teuer. Tsai Long wurde beauftragt, ein neues Rezept für Papier zu entwickeln, das leicht, billig und einfach herzustellen ist. Keine leichte Aufgabe, aber Tsai Lun wandte sich der beliebtesten Inspirationsquelle zu - der Natur. Lange Zeit beobachtete er Wespen, deren Wohnungen aus Holz und Pflanzenfasern bestanden. Tsai Lun führte viele Experimente durch, bei denen er verschiedene Materialien für zukünftiges Papier (Baumrinde, Asche und sogar Fischernetze) verwendete, das mit Wasser gemischt war.Die resultierende Masse wurde in einer speziellen Form ausgelegt und in der Sonne getrocknet. Das Ergebnis dieser kolossalen Arbeit war ein prosaisches Thema für eine moderne Person - Papier.
Im Jahr 2001 wurde in Leiyang, China, ein nach Tsai Lun benannter Park eröffnet.
Die Verbreitung von Papier in anderen Ländern erfolgte nicht sofort, erst zu Beginn des 7. Jahrhunderts erreichte das Rezept Korea und Japan, und das Papier erreichte Europa erst im 11.-12. Jahrhundert.
Die offensichtlichsten Verwendungszwecke für Papier sind natürlich sowohl in Manuskripten als auch im Druck. Die Japaner fanden jedoch eine elegantere Anwendung dafür - Origami, d.h. Faltpapierfiguren.
Ein kurzer Ausflug in die Welt des Origamis und der Technik.
Es gibt sehr viele Origami-Optionen sowie die Techniken zu ihrer Herstellung: einfaches Origami, Kusudama (modular), Nassfalten, Muster-Origami, Kirigami usw. (Der wesentliche Leitfaden für Origami )
Aus wissenschaftlicher Sicht ist Origami ein mechanisches Metamaterial, dessen Eigenschaften durch seine Geometrie bestimmt werden, nicht durch die Eigenschaften des Materials, aus dem es hergestellt wird. Es wurde seit einiger Zeit gezeigt, dass vielseitige 3D-Strukturen mit einzigartigen Eigenschaften unter Verwendung sich wiederholender Origami-Muster erstellt werden können.
Bild Nr. 1
In Bild 1bEin Beispiel für eine solche Struktur ist gezeigt - ein ausfahrbarer Balg, der aus einem Blatt Papier gemäß dem Schema in 1a aufgebaut ist . Aus den verfügbaren Origami-Optionen haben Wissenschaftler eine Option identifiziert, die ein Mosaik aus identischen dreieckigen Platten implementiert, die in zyklischer Symmetrie angeordnet sind und als Creslings Origami bekannt sind.
Es ist wichtig zu beachten, dass es zwei Arten von Origami-basierten Strukturen gibt: starre und nicht starre.
Starre Origami sind dreidimensionale Strukturen, bei denen beim Entfalten nur die Falten zwischen den Paneelen verformt werden.
Ein Paradebeispiel für hartes Origami ist Miura-ori, mit dem mechanische Metamaterialien mit negativem Poisson-Verhältnis hergestellt werden. Dieses Material hat ein breites Anwendungsspektrum: Weltraumforschung, deformierbare Elektronik, künstliche Muskeln und natürlich neu programmierte mechanische Metamaterialien.
Nicht starre Origami sind dreidimensionale Strukturen, die während des Einsatzes eine nicht starre elastische Verformung der Platten zwischen den Falten aufweisen.
Ein Beispiel für eine solche Origami-Variation ist das zuvor erwähnte Cresling-Muster, das erfolgreich verwendet wurde, um Strukturen mit anpassbarer Multistabilität, Steifheit, Verformung, Erweichung / Härtung und / oder nahezu Null Steifheit zu erzeugen.
Forschungsergebnisse
Inspiriert von einer alten Kunst, entschieden sich die Wissenschaftler, Kreslings Origami zu verwenden, um eine Gruppe mechanischer Binärschalter zu entwickeln, die gezwungen werden können, zwischen zwei verschiedenen statischen Zuständen umzuschalten, indem ein einzelner gesteuerter harmonischer Erregungseingang an der Basis des Schalters verwendet wird.
Wie in 1b zu sehen ist , ist der Balg an einem Ende gesichert und wird am anderen freien Ende einer externen Last in x-Richtung ausgesetzt. Aus diesem Grund wird es gleichzeitig entlang und um die x-Achse ausgelenkt und gedreht. Die während der Verformung des Balgs angesammelte Energie wird freigesetzt, wenn die äußere Last entfernt wird, wodurch der Balg in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.
Einfach ausgedrückt sehen wir eine Torsionstorsionsfeder, deren Rückstellfähigkeit von der Form der Funktion der potentiellen Energie des Balgs abhängt. Dies hängt wiederum von den geometrischen Parametern (a 0 , b 0 , γ 0 ) des zusammengesetzten Dreiecks ab, das zum Aufbau des Balgs verwendet wird, sowie von der Gesamtzahl (n) dieser Dreiecke ( 1a ).
Für eine bestimmte Kombination von geometrischen Parametern der Struktur hat die potentielle Energiefunktion des Balgs ein einzelnes Minimum, das einem stabilen Gleichgewichtspunkt entspricht. Für andere Kombinationen hat die potentielle Energiefunktion zwei Minima, die zwei stabilen statischen Balgkonfigurationen entsprechen, die jeweils einer unterschiedlichen Gleichgewichtshöhe oder alternativ einer Federauslenkung ( 1c ) zugeordnet sind. Diese Art von Feder wird oft als bistabil bezeichnet (Video unten).
Bild 1d zeigt die geometrischen Parameter, die zur Bildung einer bistabilen Feder führen, und die Parameter, die zur Bildung einer monostabilen Feder für n = 12 führen.
Die bistabile Feder kann in einer ihrer Gleichgewichtspositionen ohne externe Lasten anhalten und kann aktiviert werden, um zwischen ihnen zu wechseln, wenn die richtige Energiemenge verfügbar ist. Diese Eigenschaft ist die Grundlage dieser Studie, die die Schaffung von Kresling-inspirierten mechanischen Schaltern (KIMS ) mit zwei Binärzuständen untersucht .
Insbesondere wie in 1c gezeigtkann der Schalter aktiviert werden, um zwischen seinen beiden Zuständen zu wechseln, indem ausreichend Energie zugeführt wird, um die Potentialbarriere (∆E) zu überwinden. Energie kann als langsame quasistatische Betätigung oder durch Anlegen eines harmonischen Signals an die Basis des Schalters mit einer Anregungsfrequenz nahe der lokalen Resonanzfrequenz des Schalters in seinen verschiedenen Gleichgewichtszuständen geliefert werden. In dieser Studie wurde beschlossen, die zweite Option zu verwenden, da die harmonische Resonanzantwort in einigen Parametern der quasistatischen überlegen ist.
Erstens erfordert die Resonanzbetätigung weniger Schaltaufwand und ist im Allgemeinen schneller. Zweitens ist das Resonanzschalten unempfindlich gegenüber externen Störungen, die in ihren lokalen Zuständen nicht mit dem Schalter in Resonanz stehen. Drittens, da die Potentialschaltfunktion normalerweise asymmetrisch um den instabilen Gleichgewichtspunkt U0 ist, unterscheiden sich die zum Umschalten von S0 nach S1 erforderlichen harmonischen Anregungseigenschaften normalerweise von denen, die zum Umschalten von S1 nach S0 erforderlich sind, was zu der Möglichkeit eines anregungsselektiven binären Schaltens führt. ...
Diese KIMS-Konfiguration ist ideal zum Erstellen einer mechanischen Multi-Bit-Speicherkarte mit mehreren Binärschaltern mit unterschiedlichen Eigenschaften auf derselben harmonisch angeregten Plattform. Die Schaffung einer solchen Vorrichtung beruht auf der Empfindlichkeit der Form der Funktion der potentiellen Energie des Schalters gegenüber Änderungen der geometrischen Parameter der Hauptplatten ( 1e ).
Folglich können mehrere KIMS mit unterschiedlichen Designmerkmalen auf derselben Plattform platziert und angeregt werden, einzeln oder in Kombination unter Verwendung verschiedener Sätze von Anregungsparametern von einem Zustand in einen anderen überzugehen.
Während des praktischen Tests wurde ein Schalter aus Papier mit einer Dichte von 180 g / m 2 hergestellt.mit geometrischen Parametern: γ 0 = 26,5 °; b 0 / a 0 = 1,68; a 0 = 40 mm und n = 12. Diese Parameter führen nach den Berechnungen ( 1d ) dazu, dass die resultierende Feder bistabil ist. Die Berechnungen wurden unter Verwendung eines vereinfachten Modells des axialen Fachwerks (Struktur der Stangen) des Balgs durchgeführt.
Unter Verwendung eines Lasers wurden perforierte Linien ( 1a ) auf einem Blatt Papier hergestellt , das die Faltstellen sind. Dann wurden Falten entlang der Kanten b 0 (nach außen gekrümmt) und γ 0 (nach innen gekrümmt) gemacht, und die distalen Enden wurden fest verbunden. Die Ober- und Unterseite des Schalters wurden mit Acrylpolygonen verstärkt.
Die Rückstellkraftkurve des Schalters wurde experimentell durch Druck- und Zugtests erhalten, die auf einer Universalprüfmaschine mit einem speziellen Aufbau durchgeführt wurden, der es ermöglicht, die Basis während der Tests zu drehen ( 1f ).
Die Enden des Acrylschalterpolygons wurden starr fixiert, und eine kontrollierte Verschiebung wurde mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit von 0,1 mm / s auf das obere Polygon aufgebracht. Zug- und Druckverschiebungen wurden zyklisch angewendet und auf 13 mm begrenzt. Unmittelbar vor dem eigentlichen Testen des Geräts wird der Leistungsschalter konfiguriert, indem zehn solcher Lastzyklen durchgeführt werden, bevor die Rückstellkraft von der 50N-Wägezelle aufgezeichnet wird. Bei 1gzeigt die Kurve der Rückstellkraft des experimentell erhaltenen Schalters.
Dann wurde durch Integrieren der durchschnittlichen Rückstellkraft des Schalters über den Betriebsbereich die potentielle Energiefunktion ( 1h ) berechnet . Die Minima in der potentiellen Energiefunktion sind statische Gleichgewichte, die mit zwei Schaltzuständen (S0 und S1) verbunden sind. Für diese spezielle Konfiguration treten S0 und S1 bei Entfaltungshöhen u = 48 mm bzw. 58,5 mm auf. Die potentielle Energiefunktion ist eindeutig asymmetrisch mit unterschiedlichen Energiebarrieren ∆E 0 am Punkt S0 und ∆E 1 am Punkt S1.
Die Schalter wurden auf einen elektrodynamischen Schüttler gestellt, der eine kontrollierte Erregung der Basis in axialer Richtung ermöglicht. In Reaktion auf die Erregung schwingt die Oberseite des Schalters vertikal. Die Position der Oberseite des Schalters relativ zur Basis wurde mit einem Laservibrometer ( 2a ) gemessen .
Bild Nr. 2
Es wurde festgestellt, dass die lokale Resonanzfrequenz des Schalters für seine beiden Zustände 11,8 Hz für S0 und 9,7 Hz für S1 beträgt. Um den Übergang zwischen den beiden Zuständen zu initiieren, dh aus der Potentialwanne * auszutreten, wurde ein sehr langsamer bidirektionaler linearer Frequenzdurchlauf (0,05 Hz / s) um die identifizierten Frequenzen mit einer Grundbeschleunigung von 13 ms –2 durchgeführt... Insbesondere befand sich KIMS anfänglich bei S0 und der inkrementelle Frequenzdurchlauf wurde bei 6 Hz eingeleitet.
Potentialtopf * - ein Bereich, in dem ein lokales Minimum der potentiellen Energie eines Partikels vorhanden ist.Wie in 2b zu sehen ist , verlässt der Schalter die S0-Potentialwanne und tritt in die S1-Potentialwanne ein, wenn die Anregungsfrequenz etwa 7,8 Hz erreicht. Der Schalter blieb weiterhin auf S1, als die Frequenz weiter anstieg.
Der Schalter wurde dann wieder auf S0 gestellt, diesmal wurde jedoch ein Abwärtsdurchlauf mit 16 Hz eingeleitet. In diesem Fall verlässt der Schalter S0, wenn sich die Frequenz 8,8 Hz nähert, und tritt in die Potentialwanne S1 ein und bleibt dort.
Der S0-Zustand hat ein Aktivierungsband von 1 Hz [7.8, 8.8] mit einer Beschleunigung von 13 ms -2 und S1 - 6 ... 7.7 Hz ( 2s ). Daraus folgt, dass KIMS aufgrund der harmonischen Anregung der Basis gleicher Größe, aber unterschiedlicher Frequenz selektiv zwischen den beiden Zuständen wechseln kann.
Die KIMS-Schaltbandbreite hängt stark von der Form ihrer potentiellen Energiefunktion, den Dämpfungseigenschaften und den harmonischen Anregungsparametern (Frequenz und Größe) ab. Außerdem enthält die Aktivierungsbandbreite aufgrund des nichtlinearen Erweichungsverhaltens des Schalters nicht unbedingt die lineare Resonanzfrequenz. Daher ist es wichtig, dass für jedes KIMS einzeln eine Switch-Aktivierungskarte erstellt wird. Diese Karte wird verwendet, um die Frequenz und Größe der Anregung zu charakterisieren, was zum Umschalten von einem Zustand in einen anderen und umgekehrt führt.
Eine solche Karte kann experimentell durch Frequenzabtastung bei verschiedenen Anregungsniveaus erstellt werden, aber dieser Prozess ist sehr mühsam. Daher beschlossen die Wissenschaftler zu diesem Zeitpunkt, den Schalter anhand der während der Experimente ermittelten potenziellen Energiefunktion ( 1 Stunde ) zu modellieren .
Das Modell geht davon aus, dass das dynamische Verhalten des Schalters durch die Dynamik eines asymmetrischen bistabilen Helmholtz-Duffing-Oszillators gut angenähert werden kann, dessen Bewegungsgleichung wie folgt ausgedrückt werden kann:
wobei u die Auslenkung der sich bewegenden Kante des Acrylpolygons relativ zum festen ist; m ist die effektive Masse des Schalters; c - experimentell ermittelter viskoser Dämpfungskoeffizient; eini s - bistabile Koeffizienten der Rückstellkraft; a b und Ω - Basiswert und Beschleunigungsfrequenz.
Die Hauptaufgabe der Modellierung besteht darin, diese Formel zu verwenden, um Kombinationen von a b und Ω zu erstellen, die das Umschalten zwischen zwei verschiedenen Zuständen ermöglichen.
Wissenschaftler stellen fest, dass die kritischen Anregungsfrequenzen, bei denen ein bistabiler Oszillator von einem Zustand in einen anderen übergeht, durch zwei Bifurkationsfrequenzen * angenähert werden können : Periodenverdopplungsbifurkation (PD) und zyklische Faltbifurkation (CF).
Bifurkation * - eine qualitative Änderung des Systems durch Änderung der Parameter, von denen es abhängt.Unter Verwendung der Näherung wurden die Frequenzgangkurven des KIMS in zwei seiner Zustände aufgezeichnet. Grafik 2e zeigt die Frequenzgangkurven des Schalters bei S0 für zwei verschiedene Grundlinienbeschleunigungspegel.
Bei einer Grundlinienbeschleunigung von 5 ms -2 zeigt die AFC-Kurve eine leichte Erweichung, jedoch keine Instabilität oder Verzweigungen. Somit bleibt der Schalter im S0-Zustand, unabhängig davon, wie sich die Frequenz ändert.
Wenn jedoch die Basisbeschleunigung auf 13 ms –2 erhöht wird, nimmt die Stabilität aufgrund der PD-Bifurkation ab, wenn die Antriebsfrequenz abnimmt.
Auf die gleiche Weise wurden die Frequenzgangkurven des Schalters in S1 ( 2f ) erhalten . Bei 5ms Beschleunigung-2 das beobachtete Bild bleibt gleich. Wenn jedoch die Basisbeschleunigung auf 10 ms –2 ansteigt, treten PD- und CF-Bifurkationen auf. Die Erregung des Schalters bei einer beliebigen Frequenz zwischen diesen beiden Gabelungen führt zu einem Wechsel von S1 nach S0.
Simulationsdaten deuten darauf hin, dass die Aktivierungskarte große Bereiche enthält, in denen jeder Status auf einzigartige Weise aktiviert werden kann. Dies ermöglicht ein selektives Umschalten zwischen den beiden Zuständen in Abhängigkeit von der Frequenz und Größe des Triggers. Sie können auch sehen, dass es einen Bereich gibt, in dem beide Zustände gleichzeitig umschalten können.
Bild Nr. 3
Eine Kombination mehrerer KIMS kann verwendet werden, um einen mechanischen Speicher mit mehreren Bits zu erstellen. Durch Variieren der Geometrie des Schalters, so dass die Form der potentiellen Energiefunktion von zwei beliebigen Schaltern ausreichend unterschiedlich ist, kann die Aktivierungsbandbreite der Schalter so ausgelegt werden, dass sie sich nicht überlappen. Infolgedessen verfügt jeder Schalter über eindeutige Antriebsparameter.
Um diese Technik zu demonstrieren, wurde eine 2-Bit-Karte auf der Basis von zwei Schaltern mit unterschiedlichen Potentialeigenschaften ( 3a ) erstellt: Bit 1 - γ 0 = 28 °; b 0 / a 0 = 1,5; a 0 = 40 mm und n = 12; Bit 2 - γ 0 = 27 °; b 0 / a 0= 1,7; a 0 = 40 mm und n = 12.
Da jedes Bit zwei Zustände hat, können insgesamt vier verschiedene Zustände S00, S01, S10 und S11 ( 3b ) erreicht werden . Die Zahlen nach S geben den Wert der linken (Bit 1) und rechten (Bit 2) Schalter an.
Das Verhalten eines 2-Bit-Switches wird im folgenden Video gezeigt:
Auf der Basis dieses Geräts können Sie auch eine Gruppe von Switches erstellen, die die Grundlage für mechanische Mehrbit-Speicherkarten bilden können.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.
Epilog
Kaum einer der Origami-Schöpfer hätte sich vorstellen können, wie ihre Kreation in der modernen Welt eingesetzt werden würde. Dies spricht zum einen von einer Vielzahl komplexer Elemente, die in gewöhnlichen Papierfiguren verborgen sind; Zum anderen kann die moderne Wissenschaft diese Elemente nutzen, um etwas völlig Neues zu schaffen.
In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler die Origami-Geometrie von Cresling verwenden, um einen einfachen mechanischen Schalter zu erstellen, der sich je nach Eingabeparameter in zwei verschiedenen Zuständen befinden kann. Dies kann mit 0 und 1 verglichen werden, die die klassischen Informationseinheiten sind.
Die resultierenden Vorrichtungen wurden zu einem mechanischen Speichersystem kombiniert, das 2 Bits speichern kann. In dem Wissen, dass ein Buchstabe 8 Bits (1 Byte) belegt, stellt sich die Frage, wie viele ähnliche Origami beispielsweise zum Schreiben von "Krieg und Frieden" benötigt werden.
Wissenschaftler sind sich der Skepsis bewusst, die ihre Entwicklung hervorrufen kann. Nach ihren eigenen Worten handelt es sich bei dieser Forschung jedoch um eine Erforschung auf dem Gebiet des mechanischen Gedächtnisses. Außerdem sollte das in den Experimenten verwendete Origami nicht groß sein, da seine Abmessungen erheblich verringert werden können, ohne ihre Eigenschaften zu verschlechtern.
Wie dem auch sei, diese Arbeit kann nicht als gewöhnlich, trivial oder langweilig bezeichnet werden. Wissenschaft wird nicht immer verwendet, um etwas Bestimmtes zu entwickeln, und Wissenschaftler wissen zunächst nicht immer, was sie schaffen. Schließlich waren die meisten Erfindungen und Entdeckungen das Ergebnis einer einfachen Frage - was wäre wenn?
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein schönes Wochenende, Jungs! :) :)
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