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酷炫!哈佛团队研发充气即可打开站稳的“折纸帐篷”,用途多到难以想象

Chloe Ma

为了满足人们对移动性的需求,市面上存在许多临时建筑的产品,包括露营帐篷、大卖场门口乱甩的充气人偶等等。尽管这些产品都做到了可以快速搭建(充气)以及快速拆除(放气),但由于充气结构都是单稳态的,这意味着它们需要恒定的压力输入才能保持其充气状态。减轻压力,结构将恢复其唯一稳定的形状——在地上坍缩成一个平面。

如果,这些充气结构具备双稳态呢?这样可以摆脱持续施压的局限了!近日,现在,哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了受折纸启发的双稳态充气结构。该项研究发表在《自然》期刊上。

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(尽管传统使用支撑结构的帐篷较为牢固,但搭建拆卸也相当麻烦)

当折纸遇上几何学的时候,魔法发生了——研究小组开发了一个三角形积木库,该积木可以弹出或折叠成扁平状,并可以组合成不同的形状以构建闭合的多稳态形状。

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(图源Nature发布视频)

“我们依靠的是这些构件的几何形状,而不是材料特性,这意味着我们可以用几乎所有材料(包括廉价的可回收材料)制造这些构件,”该研究的第一作者,材料科学与机械工程学系的本杰明·戈里森(Benjamin Gorissen)说。

将设计过程带入现实世界,研究人员用厚塑料片材设计并建造了只需要充气就可以自己撑起来的帐篷,在撤掉充气之后,它仍然稳稳地立在地上,并没有塌回去。

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(充气结束后,帐篷依然牢固稳当)

这看上去似乎很简单,不过是个相当“普通”的新发明。但是它的用途,可以说多到无法想象。该论文的第一作者之一大卫·梅兰松(David Melancon)说:“您可以想象这些避难所是作为灾区应急响应的一部分而部署的。” “它们可以堆放在卡车上,并且只需要一个压力源就可以给它们充气。一旦它们膨胀后,就可以卸下压力源并移到下一个帐篷上。”

如此一来,无论是多么大型的临时避难所都可以由一两个人建立,而部署当今的军事野战医院则需要十几个人。

这些折纸结构的组成部分可以混合并匹配,以创建任何形状或大小的结构。研究人员建造了一系列其他结构,包括拱门,可伸缩的吊杆和宝塔式结构。研究人员还设计了具有两种以上稳定形式的形状。可能的应用场景还包括体育馆的临时吸音设备、临时防洪大坝等等等等。

“我们已经打开了前所未有的大型充气结构的设计空间,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破裂的危险,”论文通讯作者,设计工程讲师查克·霍伯曼(Chuck Hoberman)说,“通过使用可充气的,可逆的致动来实现硬壁结构外壳,我们看到了重要的应用,不仅在地球上,而且还可能作为月球或火星探索的栖息地。”

参考资料:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/hjap-bps042021.php

https://www.youtube.com/watch?v=Y-6fKoqKEKo&t=159s


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