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折纸竟然可以如此高端!

 大科技杂志社 2023-01-31 发布于海南

除了做纸船、纸鹤、纸飞机等,折纸还能用来做什么?古人用折纸技术做出了纸扇、纸伞、纸盒……如今,一些工程师们也热衷折纸,试图从中为各种应用寻找灵感。一些高科技产品正悄悄被“折”出来。

  可折叠送货无人机

  在新冠疫情较严重,或是道路交通状况不佳时,你是否曾焦急等待过自己的快递?若快递能“飞”到家就好了。

  这个以灯笼为灵感设计的无人机能跨越地形、路况复杂的区域,带着重达500克的包裹飞行2千米。它外部是轻巧的可折叠碳纤维笼,能保护无人机和货物免于碰撞和坠落,收货人可以在无人机飞行途中将其抓住,而不会受到飞机螺旋桨的伤害,当笼子打开时,螺旋桨就会停止旋转。碳纤维笼能在几秒钟内折起来,折叠后的体积减少了92%,可被轻松装进背包。

  “绑架”深海动物的机械手

  一只小章鱼正在深海中遨游,浑然不知自己已经成为了被捕捉的目标——一个花朵形状的机器正在它身后悄悄跟着,突然,“花朵”旋转折叠成一个十二面球体,将小章鱼困在其中。

  这个机器是研究人员设计用于抓捕深海生物的机械手,由5片3D打印的“花瓣”组成,只需一部电动机就能收缩折叠成一个空心盒子,抓住海洋生物的同时不会对环境和生物造成伤害。它能为科学家毫发无伤地“绑架”脆弱的深海动物用于研究。

  折叠盾牌

  警察在执行一些危险任务时会带上盾牌进行防护,然而传统警用盾牌通常重达40千克,且仅能保护一人。而利用折纸工艺设计的新式盾牌,不仅有良好的防弹能力,还轻巧、方便携带和移动。

  工程师将数块硬板缝入特殊纤维中,硬板间的松动区域形成折痕。不像传统的扁平盾牌需要人手持,且只能提供正面的保护,折叠盾牌能在5秒内展开或折叠,展开后能独立站立,弯折的形状也能提供侧面防护,保护2~3个人,重量却只有25千克。

  月球折叠小屋

  假如有一天,人类能在月球上生活,会住在一个怎样的屋子里?月球重力低且有极端的昼夜温差,还有时间长、频率高的“月震”,直接在月球上盖房子很困难。

  两位建筑设计师研发了能带去月球的折叠屋“月亮方舟”。它内部配有基本的生活设施,外部是以折纸形式排列的碳纤维外壳,能抵御月球的恶劣环境,折叠后的体积仅有展开后的13.3%。

  两位设计师将折叠屋带入同样环境恶劣的格陵兰岛进行测试,在小屋中模拟月球生活度过了60天。

  充气折叠避难所

  当自然灾害等紧急情况发生时,灾区流离失所的人们通常会搭建帐篷用以避难,然而帐篷搭建过程较繁琐,遭遇大风也容易被掀翻。

  工程师发明了一种充气折叠帐篷,它由许多坚固、隔音且保温的面板组成,有类似折纸的折痕。使用时只需用一个气泵对其充气,它就会快速展开成一个结构稳定的小房子。待帐篷完全展开后就可卸下气泵,马上给另一个帐篷充气。这样能节省灾害避难所的搭建时间。

  这种充气折叠结构还能用作防洪屏障、音乐厅的隔音板等。

  折叠抓手

  传统机械臂的抓取钳都很坚硬,不适合抓取不结实的物体。这个喇叭花似的机器抓手呈圆锥状,内部是折纸结构的硅胶骨架,外部覆盖一种特殊的织物。整个抓手连接一根真空管,一旦真空管开始抽气,硅胶骨架就会折叠,织物紧皱,物体就会被其箍住。

  折叠抓手不仅能抓取比自身重120倍的物体,还能适应各种形状、尺寸和材质的物体,抓取易碎品时也不会破坏它们。

  折纸让手术钳变得更小

  对于许多患者来说,伤口小、恢复快的微创手术能减轻他们对手术的紧张和恐惧。

  实施微创手术需要专门的仪器,研究人员致力于让仪器上的器械,如手术钳变得更小,但其中一些零件的尺寸却难以再缩小。

  工程师发现,结合折纸技术能减少一些零件的使用,于是制成了直径仅有3毫米的手术钳。它类似用纸折成的鸟喙,不仅灵活,且造成的手术切口非常小,伤口无需医生缝合就能自动愈合。

  从昆虫身上得到的折纸灵感

  蠼螋(qú sōu)是自然界的“折纸大师”。它们用于飞行的后翅面积比前翅要大许多,不飞时需要将后翅进行复杂的折叠,放进前翅里,其折叠后的面积只有展开时的1/15,且不必借助肌肉的力量,仅靠翅膀上的关节就能展开和收回翅膀,保持稳定的飞行。

  如此高效节能的方式吸引了研究人员的注意,他们以此为灵感,使用3D打印制成简化的可折叠仿生机翼,它模仿蠼螋翅膀,在展开时保持稳定,并且通过简单轻松的推挤就能折叠。

  但这个3D打印的机翼还无法完全还原蠼螋翅膀,研究人员仍在持续探索,未来有望将这项折叠技术运用在折叠地图、电子设备甚至是太空探索中。

  为折纸辞去宇航局的工作

  罗伯特·J·朗是一名美国物理学家,从小喜欢折纸,即便上了大学也会通过折纸缓解学习压力。后来他在美国宇航局工作了13年,期间念念不忘折纸,一番思考后,他决定辞去工作,专心在家折纸。

  别人折纸是为了玩,罗伯特折纸是为了探究其中的奥秘。他研究出了如何折出逼真的昆虫腿部、翅膀和触角,还利用折纸方面的经验和技术,给太空望远镜设计了可折叠的透镜,帮助汽车工程师解决汽车安全气囊的折叠问题。

  将科学融入折纸

  你也许能折出纸飞机、纸鹤等,但你能用一张纸折出一个纸仙人掌盆栽或是其他纸动物吗?

  罗伯特不仅自己享受折纸的乐趣,还想办法让其他想折纸的人更容易上手。他一边折纸一边用数学知识计算,总结折纸的算法规律,开发了两款电脑折纸软件“Treemaker(造树者)”和“Reference Finder(参考仪)”,前者能根据你想要折的物品生成对应的折痕图案,后者能将折痕图案转化为可以跟着电脑指令操作的具体步骤。

  在这两个软件的帮助下,折纸爱好者们能创作出更多生动有趣的折纸作品。但其中的折纸图案相对复杂,更适合有经验的折纸玩家。

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