灵感来自折纸，哈佛大学研发多稳态充气式折纸结构
作者：龙盼
在 2016 年的环法自行车赛上，巨大的充气拱门突然倒塌，导致比赛被迫中止。
虽然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，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，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。”
文章插图
（来源：Nature）
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。” 论文的第一作者 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。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。
文章插图
（来源：Nature）
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。” 只需充气，它就可以膨胀成多种特定结构。
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。“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。
文章插图
（来源：Nature）
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，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。
（来源：SEAS）
它不仅可以作为灾区的紧急避难所，还具备多种应用前景。研究人员介绍，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。”
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