临时结构通常存在设计上的短板 ， 要么可以轻松放置和拆卸 ， 要么可以压缩起来紧凑运输 ， 要么结构坚固却十分笨重 ， 想要在这三点之间找一个平衡 ， 从工程学角度来讲是项不小的挑战 。
最常见的方法 ， 例如帐篷 ， 主要是由相互连接的杆元件组成 ， 外面蒙上一层织物 ， 这些杆元件可以同步伸缩 ， 然后把连接各个杆的 “关节” 锁定 ， 就能形成一个相对稳定的结构 ， 不过这个组装过程比较繁琐 ， 遇到大风也很容易被掀翻 。
其次就是利用充气膜 ， 通过单一的压力输入使其变形为目标形状 ， 这种结构需要很好的气密性 ， 有时候还需要持续充气 ， 如果阀门泄漏或者被刺破 ， 很快就会萎缩甚至发生爆炸事故 。
而建筑工地上随处可见的临时板房就不用说了 ， 结构相当稳固 ， 但板材运输、拆卸搭建多有不便 。
现在 ， 十分有创意的解决方案来了 。 来自哈佛大学的科学家团队成功开发出一种米级、多稳态的充气折纸结构 ， 而灵感来源于古老的折纸手艺 。
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图｜折纸可形成一定的稳固结构或样式（来源：Cristian Marianciuc）
这种充气折纸结构折叠起来时非常容易收纳 ， 但充一下气就能自动展开成特定的空间结构 ， 比如拱门或避难帐篷等 ， 不需要额外在内部进行结构支撑 ， 这项研究或为大型折纸结构的工程学应用铺平了道路 ， 相关论文于 4 月 22 日发表在《自然》（Nature）上 。
【折纸|“折纸” 也能发 Nature？】
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图｜充一下气就能自己支撑起来的拱门和帐篷（来源：Nature）
当折纸遇见几何学
这项研究成果 ， 可以称得上是几何科学和折纸艺术的一次完美碰撞 。
论文的通讯作者之一卡蒂娅?贝托迪（Katia Bertoldi）是哈佛大学应用力学教授 ， 致力于研究材料和结构的力学；另一位通讯作者查克?霍伯曼（Chuck Hoberman）则是一位知名的艺术家、工程师、建筑师和发明家 ， 其特长就是研究折叠玩具和相关结构 ， 他发明的 “霍伯曼球体” 曾被纽约现代艺术博物馆收藏 。
关于打造一个全新的充气折纸结构 ， 研究人员们在下手之前就有以下几点设想：（1）折叠时占据尽可能小的体积；（2）能自主展开；（3）展开后自主锁定到位；（4）能提供结构牢固的外壳（如果设计用于定义封闭环境） 。
想要达到上述几点要求 ， 团队需要从折纸的第一个环节开始：折三角形 。
三角形折纸作为一种艺术形式的同时 ， 具有较强的物理功能特性 ， 而这种全新折纸结构的实现 ， 难度就在于选择什么样角度的三角形 ， 以及如何将诸多三角形拼合到一个空间物体中 ， 且相互之间是几何兼容的状态 。
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图｜三角形面作为大型充气和双稳态结构的构建块（来源：Nature）
这个看上去很复杂的问题 ， 依据的几何原理却很基础 ， 即某些三角的角度可以在一个圆中保持固定 ， 它移动到不同位置会有不同的边长变化 ， 而一个三角形可以在圆中的不同位置找到能够重合的另一个三角形 。
经过一系列复杂的几何分析和实验数据积累 ， 研究人员得以创建了一个双稳态折纸图形库 ， 用来匹配不同三角形边、角的最佳组合 。 在驱动设计方面 ， 采用单一的流体压力输入来部署 ， 然后 ， 还可将不同的单元组合起来 ， 以米为单位构建更大的功能性结构 ， 如拱门和应急避难帐篷 ， 形成大型充气结构系统 。
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图｜双稳态和充气折纸构造原理（来源：Nature）
这些不同三角形的面板可以由特殊的材料板制成 ， 用来保障其坚固性、隔音性和保温性等 ， 然后由相对柔性的 “铰链” 拼接在一起 ， 根据空间和预期的模型形状变化 ， 推算这些三角形的大小和排列组合 ， 以创建单一稳定或者多稳定性的结构系统 。
在研究人员的演示中 ， 他们制作了一个高 20 厘米、宽 30 厘米的折叠结构 ， 其充气后可膨胀成为高 60 厘米宽 150 厘米的充气拱门 。
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图｜折纸帐篷和拱门的结构拆解图（来源：Nature）
另外一个作品是 ， 折叠后尺寸只有 1.0 米 ×2.0 米 ×0.25 米的扁平压缩包 ， 展开后是一个内部空间达 2.5 米 ×2.6 米 ×2.6 米的帐篷 ， 由于多稳态结构设计 ， 在不影响结构完整性的情况下这个帐篷的一个面还可当作 “门” 被打开 ， 从而使帐篷易于进出 ， 非常具有实用价值 ， 用完之后 ， 再拿真空吸尘器抽一下内部空气 ， 小帐篷即可以自主折叠回扁平状态 。
迄今为止 ， 有关折纸的大部分作品基本都留在厘米级尺寸 ， 但科学家们利用其中的设计理念 ， 将折纸的几何形状推向了新的极限 ， 从而能变得大得多 ， 而且结构十分稳定 。
充满想象的用途
研究人员在论文结论中表示 ， 这一成果展示了如何有效地利用几何学来实现压力展开折纸结构 ， 且同时实现两种能力配置：一个是紧凑和一个是扩展 。 如果需要考虑到负载条件和制造方面的挑战 ， 这种设计方法还可以扩展到更大或更小的规模 。
由于这种折纸结构是多稳态的 ， 因此它们可以设计成实现不同部署目标的序列 ， 通过引入两个以上不同面的构建模块 ， 进一步扩展其可实现形状的范围 。
作为这项研究的补充 ， 研究人员开发了一个能够预测全能量景观的力学模型 ， 这提供了一个有效的工具来指导更多有趣的相关探索 。 此外 ， 这项研究成果所发明的设计规则 ， 也可以推广到任意折纸多面体上 ， 并结合随机优化算法求解逆设计问题 ， 进而有效计算出能在目标稳定状态之间切换的可展开结构 。
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图｜新型 “折纸” 帐篷与传统帐篷比较（来源：Nature Video）
把折纸技术整得这么高级有什么用呢？显而易见 ， 以上述能折叠的小帐篷为例 ， 贫困地区和受灾地区紧急避难所的人们十分需要它 ， 这个 “折纸帐篷” 就像一个小房子 ， 相比容易被吹倒、吹翻的自建帐篷 ， 以及繁琐的搭建过程 ， 这种折叠帐篷只需要一个人和一台气泵 ， 充一次气就能快速展开 ， 而且结构稳定 ， 便于大量运输 ， 不需要持续进行充气 。 灾区物资支援人员充完一个再去充下一个 ， 效率会十分高 ， 快速部署给灾民提供庇护 。
研究人员对这种技术还有更多展望 ， 比如可以用作防洪屏障、音乐厅中的可变回音板 ， 甚至是航天器上所需的复杂折叠结构 。
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在建筑设计领域 ， 这种结构理念可能也是一种新颖的建筑辅助方式 ， 与传统的建筑材料和空间搭配 ， 能够形成一个可变的空间系统 ， 比如下图所展示的会议室和创意建筑 ， 堪称满满的几何美学和艺术感 。 不过 ， 大跨度结构在部署的阶段需要有更牢固和抗老化的结构 ， 以满足建筑法规的要求 。
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这不禁令人感叹 ， 艺术和科学一定程度是相通的吧 ， 谁能想到 ， 不起眼的折纸手艺还能这样玩？
来自普林斯顿大学土木与环境工程系的专家 Sigrid Adriaenssens 在评论这项研究时表示 ， 这种折纸结构优点多多 ， 例如节省储存空间、运输成本和搭建时间 ， 自动展开锁定 ， 还能确保展开后结构牢靠等特性 ， 值得称赞 。
但在大规模投入使用前 ， 还有很多问题需要解决 。 比如大型物体可能更易受到压缩和拉伸应力以及变形的影响 。 另外 ， 因为 “铰链” 通常是任何工程设计中最昂贵和最脆弱的元件 ， 所以最小化折痕的数量或将有助于降低制造成本 ， 进一步加强折纸结构 。
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03407-4
https://www.youtube.com/watch?v=Y-6fKoqKEKot=159s
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/hjap-bps042021.php
作者：库珀 编审：寇建超
排版：王落尘
_原题_：“折纸” 也能发 Nature？哈佛团队发明多稳态充气折纸结构 ， 能瞬间撑起小帐篷！
来源：学术头条
编辑：zhenni
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