受折纸艺术的启发 哈弗大学开发出双稳态充气结构 不需持续压力就可以保持稳定状态

   机械小兵        

2016年,一个充气拱门在环法自行车赛上造成了巨大的破坏,它放气后倒在一名自行车手身上,迫使他从自行车上摔了下来,比赛被推迟了。官员们将拱门的倒塌归咎于一名路过的观众的皮带扣,但真正的罪魁祸首是物理学。


今天的充气结构,从野外医院到体育场馆,都是单稳态的,这意味着它们需要持续的压力输入,以维持其充气状态。失去这种压力,结构就会回到其唯一稳定的形式:平坦。

受折纸艺术的启发 哈弗大学开发出双稳态充气结构 不需持续压力就可以保持稳定状态

但是,如果这些结构有一个以上的稳定状态呢?如果拱门在充气状态和平放在地上一样稳定呢?


现在,哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员受折纸的启发,开发了双稳态充气结构。


该研究发表在《自然》杂志上。


"该研究为新一代坚固的大型充气系统提供了直接的途径,这些系统在部署后被锁定在原地,不需要持续的压力。"SEAS的威廉和阿米-宽-达诺夫应用力学教授、该论文的资深作者Katia Bertoldi说。


受折纸的启发和几何学的指导,研究小组开发了一个三角形积木库,可以弹出或折平,并以不同的配置进行组合,以建立封闭、多态的形状。


东南大学材料科学和机械工程系副教授、论文共同第一作者Benjamin Gorissen说:"我们依靠的是这些积木的几何形状,而不是材料特性,这意味着我们可以用几乎任何材料来制作这些积木,包括廉价的可回收材料。"

受折纸艺术的启发 哈弗大学开发出双稳态充气结构 不需持续压力就可以保持稳定状态

将他们的设计过程带入现实世界,研究人员用厚厚的塑料板设计并建造了一个8英尺乘4英尺的充气棚。


东南大学的博士生、论文的共同第一作者David Melancon说:"你可以想象将这些庇护所部署为灾区应急响应的一部分,它们可以平放在卡车上,你只需要一个压力源来给它们充气。一旦它们被充气,你就可以移除压力源并转移到下一个帐篷上。"


庇护所可以由一两个人建立,而不是像今天的军事野战医院那样需要十几个人部署。


这些折纸结构的构件可以混合和匹配,以创建任何形状或尺寸的结构。研究人员建造了一系列其他结构,包括一个拱门、一个可延伸的吊杆和一个宝塔式结构。研究人员还设计了具有两种以上稳定形式的形状。


设计研究生院的皮尔斯-安德森设计工程讲师和论文的共同作者查克-霍伯曼说,我们已经解开了一个前所未有的大型充气结构的设计空间,这些结构可以折叠平整,并保持其部署的形状,而没有灾难性破裂的风险,通过使用可充气的、可逆的驱动装置来实现硬墙结构围护,我们看到了它在未来的重要应用,不仅在地球上,而且有可能作为月球或火星探测的栖息地。


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