8 (913) 791-58-46
Заказать звонок

Физика в оригами


Атомная теория оригами / Хабр

Представив, что складки и изгибы оригами — это атомы в решётке, исследователи обнаруживают странное поведение, таящееся в простых структурах



Майкл Ассис открыл, что оригами может испытывать фазовый переход

В 1970-м астрофизик Корио Миура [Koryo Miura] задумал схему, которой суждено было стать одной из самых известных и хорошо изученных схем складывания оригами: Миура-ори. Узор складок создаёт мозаику из параллелограммов, и вся эта структура складывается и раскладывается одним движением, порождая отличный способ для складывания карты. Это также отличный способ сложить солнечную панель космического корабля — эту идею Миура предложил в 1985 году, а затем она была осуществлена в реальности на японском спутнике Space Flyer Unit в 1995 году.

На земле Миура-ори находит всё больше применений. Система складывания придаёт гибкому листу форму и прочность, создавая многообещающий метаматериал — материал, чьи свойства зависят не от его химического состава, а от структуры. Также Миура-ори отличается отрицательным коэффициентом Пуассона. Если надавить на него с боков, верхняя и нижняя часть оригами будут сдвигаться. Но у большинства объектов такого не происходит — если попробовать сжать, допустим, банан, то с его концов начнёт вылезать содержимое.

Исследователи изучали, как с помощью Миура-ори создавать трубы, кривые и другие структуры, которые могут получить применение в робототехнике, аэрокосмической промышленности и архитектуре. Даже модельеры вдохновлялись этой системой, включая её в платья и шарфы.

Теперь Майкл Ассис [Michael Assis], физик из Ньюкасловского университета в Австралии, работает над необычным подходом к пониманию Миура-ори и сходных оригами: он рассматривает их через призму статистической механики.

Новый анализ Ассиса, который сейчас проверяют специалисты для журнала Physical Review E, будет первой работой, использующей статистическую механику для описания оригами. Также эта работа впервые моделирует оригами при помощи подхода, использующего «карандаш и бумагу», выдающего точные решения — решения, не зависящие от приблизительных компьютерных вычислений. «Многие люди, и я в их числе, потеряли надежду на точные решения», — говорит Артур Эванс, специалист по математической физике, использующий в своей работе оригами.

Обычно специалисты по статистической механике пытаются описывать появляющиеся свойства и поведение набора частиц, например, газа или молекул воды, существующих в кубике льда. Но наборы сгибов — это тоже сети, только состоящие не из частиц, а из складок. Используя концептуальные инструменты, обычно применяемые для газов и кристаллов, Ассис получает очень интересные идеи.

Горячие складки


В 2014 году Эванс работал в команде, изучавшей, что происходит с Миура-ори при добавлении в неё дефектов. Исследователи показали, что, инвертировав несколько складок, вдавив выпуклости и выдавив вогнутости, можно сделать структуру более прочной. Дефекты, вместо того, чтобы служить недостатками, становились достоинствами. Добавляя или удаляя дефекты, можно перенастраивать Миура-ори, добиваясь нужной прочности.

Это привлекло внимание Ассиса. «До этой работы никто не думал о дефектах», — сказал он.

Он разбирается в статистической механике, естественным образом применяемой к таким решётчатым схемам, как Миура-ори. В кристалле атомы связаны химическими связями. В оригами вершины связаны складками. Даже в решётке, содержащей всего 10 повторяющихся единиц, статистический подход, по словам Ассиса, может достаточно точно описать её поведение.

В кристаллах появляются дефекты, если повысить температуру. К примеру, в кубике льда тепло разрушает связи между молекулами воды, что формирует дефекты в решётке. В итоге решётка полностью разрушается и лёд плавится.

Сходным образом в анализе оригами, сделанном Ассисом, высокая температура приводит к появлению дефектов. Но в данном случае температура обозначает не то, насколько решётка холодная или тёплая; она обозначает энергию системы. К примеру, постоянно закрывая и открывая Миура-ори, вы добавляете энергию в решётку, и на языке статистической механики, увеличиваете её температуру. Это приводит к появлению дефектов, поскольку постоянные раскрытия и свёртывания могут привести к тому, что одна из складок сложится в другую сторону.

Чтобы понять, как растут дефекты, Ассис решил, что будет лучше рассматривать в качестве отдельных частиц не каждую вершину, а каждый дефект. В этом случае дефекты ведут себя как свободно движущиеся частицы газа. Ассис может даже подсчитывать такие параметры, как плотность и давление.


Дефект в решётке Миура-ори

При относительно низких температурах дефекты ведут себя, как обычно. При высоких температурах, когда дефекты покрывают всю решётку, структура оригами становится относительно однородной.

А в промежутке между этими состояниями Миура-ори, как и другая трапециевидная схема сложения оригами, проходит через резкое превращение из одного состояния в другое — происходит то, что физики называют фазовым переходом. «Я был удивлён и обрадован, когда мне удалось обнаружить фазовый переход в оригами, — говорит Ассис. — В каком-то смысле это демонстрирует его сложную структуру. У него есть сложность реального материала. И в итоге это-то нам и нужно — метаматериалы реального мира».

Без экспериментов сложно сказать, каким образом оригами меняется в переходной точке. Он предполагает, что с увеличением количества дефектов решётка постепенно становится всё менее организованной. После точки перехода в ней есть уже столько дефектов, что вся структура оригами погрязает в помехах. «Создаётся впечатление, что весь порядок пропадает и оригами ведёт себя случайным образом», — говорит он.

Однако фазовые переходы не обязательно присущи всем типам оригами. Ассис изучал также мозаику из квадратов и параллелограммов под названием "Марс Баррето". Эта решётка не испытывает фазового перехода, поэтому в неё можно добавлять больше дефектов и не порождать беспорядка. Если вам нужен материал, выдерживающий больше дефектов, говорит Ассис, то вам может пригодиться именно это оригами.


Ассис показывает, как использовать дефекты для подстройки Миура-ори

Плоские грани


Применимы ли эти заключения к реальным оригами, вопрос спорный. Роберт Лэнг, физик и скульптор оригами, считает, что модели Ассиса слишком идеальные, чтобы их можно было использовать. К примеру, эта модель предполагает, что оригами можно заставить складываться в плоскую фигуру даже при наличии дефектов, но на самом деле дефекты могут помешать листу сложиться плоско. В анализ не входят углы складок, он не запрещает листу самопересекаться при сложении — а такого в реальной жизни быть не может. «Работа даже близко не подходит к описанию реального оригами с такими складками», — говорит Лэнг.

Но Ассис говорит, что модель предполагается разумной и необходимой, особенно, когда вам нужно получить точные решения. Во многих практических случаях, например, при складывании солнечных панелей, вам необходимо, чтобы лист складывался плоско. Складывание может разглаживать дефекты. Углы складок могут играть важную роль, если они располагаются близко к дефектам, особенно если учитывать, что грани решётки тоже могут изгибаться. Ассис планирует рассмотреть изгибание граней в следующей работе.

К сожалению, вопрос возможности глобального сложения в плоскую фигуру — одна из сложнейших математических задач, поэтому большая часть исследователей предполагают лишь наличие локального сложения в плоскую фигуру. Так утверждает Томас Халл, математик из Западного университета Новой Англии и соавтор исследования от 2014 года. Он говорит, что такие предположения имеют смысл. Но признаёт, что разница между теорией и разработкой реальных метаматериалов и структур остаётся значительной. «До сих пор непонятно, поможет ли нам такая работа, которую представил Майкл, сделать что-то на практике», — сказал он.

Чтобы это выяснить, исследователям необходимо будет самостоятельно провести эксперименты для проверки идей Ассиса и оценить, могут ли модели на самом деле наполнить смыслом оригами, или же с ними можно только играться теоретикам в статистической механике. И всё же подобное исследование — шаг в правильном направлении, говорит Халл. «Нам необходимы базовые строительные блоки, которые можно использовать для практического применения».

С ним соглашается Кристиан Сантаньело [Christian Santangelo], физик из Массачусетского университета в Амхерсте, принимавший участие в написании работы 2014 года. По его мнению, над дефектами оригами работает недостаточно исследователей, и он надеется, что представленная работа привлечёт в эту область больше учёных. «Судя по всему, эти проблемы не стоят в приоритете у людей, реально что-то создающих». Так это или нет, но технология оригами требует тщательного изучения влияния дефектов. «Эти структуры, — сказал он, — сами себя не сложат».

Вы можете самостоятельно сложить Миура-ори, скачав и распечатав PDF-файл.

Мастер бумажного дела. Как физик-оптик нашел себя в оригами | Cвободное время

Кто-то любит рыбалку, походы с палаткой, охоту. А физик-оптик Дмитрий ЛЫСЮК выбрал редкое  и интересное хобби – оригами, искусство складывания фигур из бумаги. И надо сказать, что за восемь лет он сумел достичь значительных успехов в этом тонком деле.

Сегодня он сам разрабатывает сложные авторские модели. Причем настолько преуспел в своем мастерстве, что уже дважды выиграл Международную олимпиаду по оригами – в 2011-м и 2015-м. Сейчас полным ходом идет подготовка к олимпиаде 2017 года, которая стартует в ноябре.

Увлекся искусством

Еще в школе Дмитрий влюбился в физику. Поэтому выбор профессии был очевиден – он поступил на физический факультет БГУ. Учился на вечернем отделении и параллельно работал: был техником в БПИ, трудился в институте ядерных проблем при БГУ.

Сегодня Дмитрий работает ведущим инженером и наладчиком спектрального оборудования для научных и промышленных исследований на одном из минских предприятий. Занятие искусством и техническая работа взаимно дополняют друг друга, поэтому будничных дней у него не бывает.

Фото: АиФ

Как говорит Дмитрий, увлечение оригами в его жизни появилось как озарение, во время лечения алкогольной зависимости.

- Как и у многих, была компания, обычные развлечения, пивко…  Вроде бы все безобидно. А потом затянуло. Я понял, что болен и без помощи специалистов мне не обойтись, - вспоминает художник. – Тот момент, когда оригами вошло в мою жизнь, был настолько ярким для меня! На уровне подсознания я почувствовал, что открыл для себя что-то драгоценное, то, что меня захватило полностью. Это богатейший мир, необъятный простор для творчества.

Оригами настолько увлекло меня, что мне было удивительно легко избавиться от зависимости, вернуться к здоровой жизни и открыть в себе новый талант. Вообще, терапевтический эффект оригами давно используется в мире, хотелось бы развивать это направление в нашей стране.

Как по нотам

Самой первой фигуркой, которую сложил Дмитрий, была лошадка, собранная по диаграмме из Интернета. И вот уже 8 лет он занимается оригами.

- Искусство оригами очень похоже на музыку. Спустя столетия мы можем слушать музыку великих композиторов, потому что они записали произведения с помощью нот. В оригами те же законы. Мастер увековечивает свою работу, записывая диаграмму или так называемый паттерн -  специальный чертеж, на котором обозначены все складки бумаги. Модели могут быть простые, как детская песенка, или очень сложные, как симфония, в диаграммах таких произведений может быть больше 300 шагов,- рассказывает Дмитрий.

Фото: Фото из открытых источников

Существует много несложных изящных моделей, которые можно сложить из простой офисной бумаги. Однако, когда человек занимается оригами, у него неизбежно возникает желание складывать модели интереснее и сложнее – птиц и животных, космические корабли и велосипеды, цветы и вазы к ним: мир оригами бесконечен. Но для этого нужна бумага, которая позволит это делать: большого размера, тонкая, прочная. Существуют множество техник складывания и множество типов бумаги – крафт, тишью, ханжи, элефантхайд и многое другое. Кстати, все оригами делаются из одного листа бумаги без надрезов, надрывания, приклеивания.

Мастер, хорошо знающий технику оригами, может «оживить» бумагу и создать из нее целый мир, вложить в каждую фигурку частицу своей души, у нее будут свой особый нрав и характер. Дмитрий разработал свою собственную технику подготовки бумаги, для каждой модели она получается уникальной и неповторимой.

Каждый оригамист выбирает себе тематику по душе. Причем какую-то фигурку можно собрать за час, а бывает так, что надо покорпеть и несколько дней. Дмитрий сначала увлекался складыванием фигурок насекомых. Это достаточно сложная и кропотливая работа. Сейчас мастеру интересно создавать мозаичные объекты, персонажей из мифов и легенд, абстрактные фигуры и скульптуры. Он стремится объединять разные стили в поиске ассоциативно гармоничных форм.

Большинство своих моделей Дмитрий создает в офисе. Повезло с руководством: складывать оригами на работе можно в любое время, и его творчество украшает будни технической работы всей фирмы.   

Талант есть у всех

Для Дмитрия оригами - давно уже не просто хобби. После победы в олимпиаде 2011 г. он является членом команды организаторов олимпиады, занимается выставочной деятельностью, проводит занятия по оригами.  В настоящее время планирует создать студию-клуб,  где будут собираться люди, увлеченные искусством складывания.

- Детям нужно давать как можно больше пространства для творческого развития, им это просто необходимо. Происходит развитие коммуникационных и игровых технологий  - смартфоны, гаджеты, компьютеры все больше заполняют нашу жизнь, от этого никуда не деться, но для гармоничного развития нужен баланс, умение создавать что-то своими руками. В этом и помогут всевозможные кружки, студии. Родители должны заботиться о том, чтобы раскрыть тот талант, умение, которые заложены в ребенке. Каждый человек в чём-то гениален, нужно неустанно искать себя, свой путь - уверен Дмитрий Лысюк.

А ВЫ ЗНАЛИ

1 августа 1998 года в Японии был создан самый большой оригами-журавль в мире. Размах его крыльев достигал более 60 метров.

Физики оценили сложность складывания оригами по складкам

M. Stern et al./ Physical Review X, 2017

Физики показали, что даже такую систему складок на бумаге, которая может сложиться в единственную возможную фигуру, практически невозможно сложить правильным образом, не зная последовательности сгибов. Из-за наличия большого количества точек бифуркации в структуре складок необходимое число сгибателей, необходимых для сворачивания правильной конфигурации, быстро растет при увеличении сложности системы, пишут ученые в Physical Review X.

Если сложить из листа бумаги оригами, а потом развернуть его обратно, то только по узору складок на бумаге восстановить бумажную фигуру будет довольно сложно. Это связано с тем, что у возникшей системы складок довольно много степеней свободы, и в зависимости от порядка и направления складывания зависит конечный результат. Чтобы избежать неоднозначности при складывании сложных устройств число степеней свободы стремятся сократить до одного. На подобном принципе основаны самоскладывающиеся микросистемы, например сердечные стенты или микроэлектромеханические системы. Однако, если система складок достаточно сложная, а точка и направление внешней силы заранее неизвестны, то даже такую систему, у которой есть единственная устойчивая конфигурация, практически невозможно свернуть правильным образом.

Группа физиков из Чикагского университета под руководством Арвинда Муругана (Arvind Murugan) объяснила, что из-за наличия дистракторов в каждом узле сетки складок (то есть «неправильных» складок, по которым сгибать лист можно, но не нужно) такие системы на самом деле трудно сложить правильным образом. С помощью численного моделирования методом конечных элементов, ученые показали, что при последовательном складывании каждый стык нескольких сгибов является точкой бифуркации (англ. bifurcated origami vertex), в которой сворачивание может пойти несколькими путями, правильный из которых только один. Остальные пути являются тупиковыми и приводят к образованию неправильной конфигурации, из которой часто сложно вернуться даже в исходное состояние, потому что она оказывается метастабильной.

Поэтому для сворачивания таких систем нужен не один сгибатель (то есть точечный источник силы, который определяет направление сгиба в данном месте), а несколько, которые в сумме задают нужный путь сгибания и не дают пойти процессу по неправильному пути. В системе из большого количества узлов бифуркации вероятность сворачивания правильной фигуры приближается к единице только в том случае, когда число сгибателей (расположенных случайным образом) становится очень близко к числу самих сгибов.

Слева изображена исследованная система из 60 складок, справа — вероятность правильного сворачивания от числа сгибателей

M. Stern et al./ Physical Review X, 2017

Для уменьшения минимально возможного числа сгибателей при сворачивании оригами, их нужно располагать в правильных точках. Чтобы точно определить их положение, физики ввели дополнительные структуры в узоре складок — «островки складывания» (англ. folding islands) — области листа вокруг конкретной складки, которая точно сложится правильным образом, если согнуть складку в нужную сторону. Такие островки могут включать в себя порядка 10 узлов, и для ее правильного складывания достаточно одного сгибателя. Если такие островки покрывают всю площадь листа, то число сгибателей можно несколько сократить.

По словам авторов работы, полученные ими результаты определяют фундаментальные пределы возможностей методов самосборки частиц и самосворачиванию полимерных структур. Физики также отмечают, что в реальных системах процесс сворачивания может оказаться даже более сложным, чем описанный в их работе.

Несмотря на все возникающие сложности, последнее время активно развивается метод ДНК-оригами, основанный на соединении между собой молекул ДНК. Правда, он основан на сгибании линейных молекул, а не двумерных листов. Зато с помощью него удается получать довольно сложные трехмерные структуры, например полости в виде плюшевых медведей. Для складывания же традиционных фигур оригами из бумаги без особых типов взаимодействия между ее отдельными участками разрабатываются специальные алгоритмы, которые, например, могут генерировать схемы складывания фигурок с минимальным количеством швов.

Александр Дубов

Физики показали, как собрать оригами в форме водяной бомбочки

В последние годы исследовательские группы по всему миру пытаются применить стратегии складывания оригами к механическим конструкциям, поскольку это может позволить им быстро и эффективно менять свою форму. Основное преимущество оригами заключается в том, что его стратегии имеют тенденцию работать независимо от размера и состава складываемого материала.

Механические свойства метаматериалов, используемых для оригами, обычно зависят от поведения складывания, которое каждый пытается воспроизвести. Чтобы запрограммировать и точно настроить свойства материала таким образом, чтобы он соответствовал конкретной стратегии складывания оригами, сначала следует разработать теоретическую модель, которая характеризует уникальную механику складывания материала.

Исследование имеет ряд важных последствий. В дополнение к успешному применению вдохновленных оригами стратегий к сложной трубчатой структуре, она представляет строгую теоретическую модель, которая точно показывает, что происходит во время радиального складывания структуры. По сути, при помощи этого исследования ученые могут понять, что в происходит при взрыве водяной бомбочки.


Читайте также:

— НАСА показала самое подробное изображение древних рек на Марсе

— Астрономы нашли ближайшую к Земле черную дыру

— Китайские ученые создали жидкий металл, как в фильме «Терминатор-2»

Атомная теория оригами

Представив, что складки и изгибы оригами — это атомы в решётке, исследователи обнаруживают странное поведение, таящееся в простых структурах


Майкл Ассис открыл, что оригами может испытывать фазовый переход

В 1970-м астрофизик Корио Миура [Koryo Miura] задумал схему, которой суждено было стать одной из самых известных и хорошо изученных схем складывания оригами: Миура-ори. Узор складок создаёт мозаику из параллелограммов, и вся эта структура складывается и раскладывается одним движением, порождая отличный способ для складывания карты. Это также отличный способ сложить солнечную панель космического корабля — эту идею Миура предложил в 1985 году, а затем она была осуществлена в реальности на японском спутнике Space Flyer Unit в 1995 году.

На земле Миура-ори находит всё больше применений. Система складывания придаёт гибкому листу форму и прочность, создавая многообещающий метаматериал — материал, чьи свойства зависят не от его химического состава, а от структуры. Также Миура-ори отличается отрицательным коэффициентом Пуассона. Если надавить на него с боков, верхняя и нижняя часть оригами будут сдвигаться. Но у большинства объектов такого не происходит — если попробовать сжать, допустим, банан, то с его концов начнёт вылезать содержимое.

Исследователи изучали, как с помощью Миура-ори создавать трубы, кривые и другие структуры, которые могут получить применение в робототехнике, аэрокосмической промышленности и архитектуре. Даже модельеры вдохновлялись этой системой, включая её в платья и шарфы.

Теперь Майкл Ассис [Michael Assis], физик из Ньюкасловского университета в Австралии, работает над необычным подходом к пониманию Миура-ори и сходных оригами: он рассматривает их через призму статистической механики.

Новый анализ Ассиса, который сейчас проверяют специалисты для журнала Physical Review E, будет первой работой, использующей статистическую механику для описания оригами. Также эта работа впервые моделирует оригами при помощи подхода, использующего «карандаш и бумагу», выдающего точные решения — решения, не зависящие от приблизительных компьютерных вычислений. «Многие люди, и я в их числе, потеряли надежду на точные решения», — говорит Артур Эванс, специалист по математической физике, использующий в своей работе оригами.

Обычно специалисты по статистической механике пытаются описывать появляющиеся свойства и поведение набора частиц, например, газа или молекул воды, существующих в кубике льда. Но наборы сгибов — это тоже сети, только состоящие не из частиц, а из складок. Используя концептуальные инструменты, обычно применяемые для газов и кристаллов, Ассис получает очень интересные идеи.

Горячие складки

В 2014 году Эванс работал в команде, изучавшей, что происходит с Миура-ори при добавлении в неё дефектов. Исследователи показали, что, инвертировав несколько складок, вдавив выпуклости и выдавив вогнутости, можно сделать структуру более прочной. Дефекты, вместо того, чтобы служить недостатками, становились достоинствами. Добавляя или удаляя дефекты, можно перенастраивать Миура-ори, добиваясь нужной прочности.

Это привлекло внимание Ассиса. «До этой работы никто не думал о дефектах», — сказал он.

Он разбирается в статистической механике, естественным образом применяемой к таким решётчатым схемам, как Миура-ори. В кристалле атомы связаны химическими связями. В оригами вершины связаны складками. Даже в решётке, содержащей всего 10 повторяющихся единиц, статистический подход, по словам Ассиса, может достаточно точно описать её поведение.

В кристаллах появляются дефекты, если повысить температуру. К примеру, в кубике льда тепло разрушает связи между молекулами воды, что формирует дефекты в решётке. В итоге решётка полностью разрушается и лёд плавится.

Сходным образом в анализе оригами, сделанном Ассисом, высокая температура приводит к появлению дефектов. Но в данном случае температура обозначает не то, насколько решётка холодная или тёплая; она обозначает энергию системы. К примеру, постоянно закрывая и открывая Миура-ори, вы добавляете энергию в решётку, и на языке статистической механики, увеличиваете её температуру. Это приводит к появлению дефектов, поскольку постоянные раскрытия и свёртывания могут привести к тому, что одна из складок сложится в другую сторону.

Чтобы понять, как растут дефекты, Ассис решил, что будет лучше рассматривать в качестве отдельных частиц не каждую вершину, а каждый дефект. В этом случае дефекты ведут себя как свободно движущиеся частицы газа. Ассис может даже подсчитывать такие параметры, как плотность и давление.


Дефект в решётке Миура-ори

При относительно низких температурах дефекты ведут себя, как обычно. При высоких температурах, когда дефекты покрывают всю решётку, структура оригами становится относительно однородной.

А в промежутке между этими состояниями Миура-ори, как и другая трапециевидная схема сложения оригами, проходит через резкое превращение из одного состояния в другое — происходит то, что физики называют фазовым переходом. «Я был удивлён и обрадован, когда мне удалось обнаружить фазовый переход в оригами, — говорит Ассис. — В каком-то смысле это демонстрирует его сложную структуру. У него есть сложность реального материала. И в итоге это-то нам и нужно — метаматериалы реального мира».

Без экспериментов сложно сказать, каким образом оригами меняется в переходной точке. Он предполагает, что с увеличением количества дефектов решётка постепенно становится всё менее организованной. После точки перехода в ней есть уже столько дефектов, что вся структура оригами погрязает в помехах. «Создаётся впечатление, что весь порядок пропадает и оригами ведёт себя случайным образом», — говорит он.

Однако фазовые переходы не обязательно присущи всем типам оригами. Ассис изучал также мозаику из квадратов и параллелограммов под названием "Марс Баррето". Эта решётка не испытывает фазового перехода, поэтому в неё можно добавлять больше дефектов и не порождать беспорядка. Если вам нужен материал, выдерживающий больше дефектов, говорит Ассис, то вам может пригодиться именно это оригами.

Ассис показывает, как использовать дефекты для подстройки Миура-ори

Плоские грани

Применимы ли эти заключения к реальным оригами, вопрос спорный. Роберт Лэнг, физик и скульптор оригами, считает, что модели Ассиса слишком идеальные, чтобы их можно было использовать. К примеру, эта модель предполагает, что оригами можно заставить складываться в плоскую фигуру даже при наличии дефектов, но на самом деле дефекты могут помешать листу сложиться плоско. В анализ не входят углы складок, он не запрещает листу самопересекаться при сложении — а такого в реальной жизни быть не может. «Работа даже близко не подходит к описанию реального оригами с такими складками», — говорит Лэнг.

Но Ассис говорит, что модель предполагается разумной и необходимой, особенно, когда вам нужно получить точные решения. Во многих практических случаях, например, при складывании солнечных панелей, вам необходимо, чтобы лист складывался плоско. Складывание может разглаживать дефекты. Углы складок могут играть важную роль, если они располагаются близко к дефектам, особенно если учитывать, что грани решётки тоже могут изгибаться. Ассис планирует рассмотреть изгибание граней в следующей работе.

К сожалению, вопрос возможности глобального сложения в плоскую фигуру — одна из сложнейших математических задач, поэтому большая часть исследователей предполагают лишь наличие локального сложения в плоскую фигуру. Так утверждает Томас Халл, математик из Западного университета Новой Англии и соавтор исследования от 2014 года. Он говорит, что такие предположения имеют смысл. Но признаёт, что разница между теорией и разработкой реальных метаматериалов и структур остаётся значительной. «До сих пор непонятно, поможет ли нам такая работа, которую представил Майкл, сделать что-то на практике», — сказал он.

Чтобы это выяснить, исследователям необходимо будет самостоятельно провести эксперименты для проверки идей Ассиса и оценить, могут ли модели на самом деле наполнить смыслом оригами, или же с ними можно только играться теоретикам в статистической механике. И всё же подобное исследование — шаг в правильном направлении, говорит Халл. «Нам необходимы базовые строительные блоки, которые можно использовать для практического применения».

С ним соглашается Кристиан Сантаньело [Christian Santangelo], физик из Массачусетского университета в Амхерсте, принимавший участие в написании работы 2014 года. По его мнению, над дефектами оригами работает недостаточно исследователей, и он надеется, что представленная работа привлечёт в эту область больше учёных. «Судя по всему, эти проблемы не стоят в приоритете у людей, реально что-то создающих». Так это или нет, но технология оригами требует тщательного изучения влияния дефектов. «Эти структуры, — сказал он, — сами себя не сложат».

Вы можете самостоятельно сложить Миура-ори, скачав и распечатав PDF-файл.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник

от физика до мастера оригами

Известный мастер оригами Роберт Лэнг уже более сорока лет радует своих поклонников по всему миру яркими, очень детализированными и просто неординарными моделями. Этот поистине удивительный человек за свою жизнь создал более 500 схем, среди которых поделки как для новичков, так и для опытных оригамистов, которые могут по достоинству оценить сложность и изящество бумажного искусства.

Скорпион Роберта Лэнга

Родился и вырос Роберт Ленг в штате Джорджия, США, где строил карьеру физика и инженера. Параллельно с достижениями в области науки и техники этот популярный в настоящее время оригамист испытывал себя в области более тонкого восточного искусства.

Черепаха по схеме Роберта Лэнга

Об огромном уважении истинных ценителей оригами говорит то, что в 1992 году Роберт Лэнг стал первым западным гостем, который был приглашен на всемирную ассоциацию Nippon Origami Association’s. Его работы были выставлены в Париже, Салеме, Каге (Япония), Нью-Йорке и других городах.

Муравей по схеме Роберта Лэнга

Будучи специалистом в таких точных науках, как физика и квантовая электроника, Роберт Лэнг стал одним из ведущих мастеров оригами мирового класса, автором такого направления, как «Математика оригами», где каждый сгиб бумаги выполняется согласно определенным геометрическим правилам.

С некоторыми работами этого замечательного мастера вы можете познакомиться на нашем сайте.

Приветствую Вас на сайте planetaorigami.ru. Меня зовут Анастасия, мне 27 лет и живу я в очень красивом городе Донецке. Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

техник оригами, используемых в передовых технологиях.

Вы будете удивлены, узнав, что идеи складывания бумаги используются в технически продвинутых научных проектах. Некоторые проекты используют в своей работе добросовестные техники складывания оригами. Однако в некоторых случаях термин «оригами» используется даже тогда, когда их складывание минимально.

Графен Киригами = Гибкая одноуглеродистая решетка = Гибкая электроника Август 2015 г .: исследователи Blees et al.из Корнельского университета создали гибкую структуру графена, используя дизайн этого веб-сайта, Центра ресурсов оригами (мы наконец-то воплотили его в природе!).

Графен представляет собой гексагональную решетку атомов углерода, расположенную в виде слоя из одного атома. Он на 200 раз прочнее стали, но при этом очень хрупкий. Графен проводит электричество, поэтому его часто используют в производстве полупроводников, компонентов батарей и т. Д.

Концепции простого дизайна киригами были использованы на углеродных листах для создания «графеновых листов киригами», которые в тысячи раз более гибкие, чем исходный графен.В будущем листы киригами из графена толщиной в один атом можно использовать для создания небольших структур, таких как микропружины и шарниры, которые будут одновременно упругими и гибкими. Поговорим о нанотехнологиях!

В более крупном масштабе исследователи из Мичиганского университета создали батарею киригами (на основе этой статьи), которую можно включить в носимую электронику.




Развертываемая солнечная батарея в стиле оригами По мере приближения к 2014 году мы возвращаемся к космической проблеме 50-летней давности - транспортировке крупных объектов на узких ракетах.На помощь приходит оригами.


Исследователи из Университета Бригама Янга, Национального научного фонда, Лаборатории реактивного движения НАСА и эксперт по оригами Роберт Лэнг разработали космический массив, который можно компактно сложить, а затем развернуть в открытом космосе. В открытом состоянии предлагаемый дискообразный массив имеет диаметр 25 метров (82 фута), но в сложенном виде в стиле оригами он составляет всего 2,7 метра (8,8 фута). Проблема большой решетки в узкой ракете!

Не так быстро. Чтобы создать 25-метровую солнечную батарею, требуется много времени и денег, поэтому в настоящее время проект находится в форме прототипа 20-го масштаба.Прочтите статью или посмотрите видео.

Эта солнечная батарея похожа на оригами Flasher Джереми Шафера, но это не первый случай, когда оригами используется в космической технике. В 2002 году Роберт Лэнг сконструировал складной космический телескоп «Очко»; натурная модель не изготовлена ​​и не запущена (подробнее). Еще в 1995 году японские ученые разработали солнечную батарею «Миура-ори», которая была успешно запущена и развернута (подробнее).


Складная бумажная литий-ионная батарея

Исследователи из Университета штата Аризона сконструировали литий-ионный аккумулятор на бумажной основе, который можно сложить в стиле Миури-Ори (знаменитая складка карты Мори-ори).Мало того, что это пространство эффективно, складывание плоского листа в компактный пучок привело к 14-кратному увеличению поверхностной плотности энергии («поверхностный» означает увеличение энергии в зависимости от его площади).

Удобная для чтения статья здесь или реферат публикаций ACS. Опубликовано в Nano Lett., 2013, 13 (10)


Антенна из нанобумаги
Электронное оригами-бумага Апрель 2013: Японские исследователи Ноги, Комода, Оцука и Суганума смогли создать антенну из нанобумаги, которая была чувствительна к широкому диапазону частот и была достаточно гибкой, чтобы ее можно было сложить в бумажный журавль.

Антенны необходимы во всех электронных устройствах, которые принимают и отправляют информацию. Люди смогли сделать гибкие антенны из пластика (довольно хорошо) и бумаги (не очень хорошо). Ноги и др. Усовершенствовали бумажную антенну, используя нановолокна фибриллированной целлюлозы, чтобы сделать бумагу с гладкой поверхностью. Затем серебряные нанопроволоки были напечатаны на сверхгладкой бумаге, чтобы сделать антенну из нанобумаги с высокой степенью складывания. [Фото: бумажные журавлики из нанобумаги с тиснением под серебро. Загораются светодиоды
, показывая, что бумажные журавлики
могут проводить электричество.Обратите внимание на зажим «крокодил», зажимающий кран справа.]

Как это поможет нам в будущем? Что ж, складные антенны могут привести к созданию гибких электронных устройств - они будут меньше, менее жесткими и менее пластичными. Представьте себе устройства связи, встроенные прямо на рукав рубашки или на галстук. В качестве альтернативы свойства гаджета могут меняться в зависимости от того, как вы складываете антенну: сложите ее в одну сторону, и он будет измерять вашу температуру, сложите в другую сторону, и это будет измерять ваше кровяное давление.Возможности безграничны.

Прочитать аннотацию из Nanoscale.


Конференция разработчиков Waza
включает Мастерскую Оригами

Февраль 2013: Heroku, платформа приложений, провела конференцию Waza 2013, на которой разработчики прослушали лекции по методам компьютерного программирования. Отличие заключается в том, что конференция включала занятия по оригами, гравюрам, переплету и квилтингу. Орен Тейч (главный операционный директор) говорит: «Мы пытаемся сделать жизнь разработчиков лучше», расширяя их кругозор.Адам Виггинс (соучредитель) считает, что разработка программного обеспечения - это не только наука, но и ремесло.

«Ваза» в переводе с японского означает «искусство» или «техника». Фотографии данаоширо.


Клетка оригами

В оригами пальцами вы складываете лист бумаги в трехмерную форму, например птицу или коробку. В Cell Origami вам не нужны пальцы, вам просто нужны сами клетки.

, декабрь 2012 г .: Исследователи Курибаяси-Шигетоми и др. из Токийского университета поместили живые клетки на микропланшеты.Когда прилипшие клетки сокращаются, они заставляют микропланшеты складываться в кубики, додекаэдры и спиральные трубки.

Эту технологию называют «Клеточное оригами». Взаимодействия актомиозина и полимеризация актина позволяют клеткам самосгибаться и создавать микроструктуры без использования шарниров или специальных материалов. Прочтите статью или посмотрите видео.

С точки зрения науки, это развитие может привести к созданию медицинских устройств, которые можно активировать, чтобы они складывались внутри тела.С точки зрения оригами, этот процесс ничем не отличается от свертывания шаблона складок в готовую модель оригами, как показано на Кубе Фудзимото.


На фото: мозаика оригами, показывающая одну галактику (слева) или шесть галактик (справа).
Pattern - это, по сути, мозаичные шестиугольники художника оригами Эрика Гьерде.

Космическое оригами В октябре 2012 года ученые Университета Джона Хопкинса, Марк Нейринк и Мигель Арагон-Кальво, были удостоены награды «Новые рубежи» за работу над «Вселенной оригами».

Исследователи сравнили мозаику оригами с образованием космических структур из темной материи. Темная материя описывается как «плоский лист», и сила тяжести «складывает» темную материю аналогично складыванию бумаги в оригами. Складки тесселяции темной материи превращаются в области потоков, которые можно концептуализировать с помощью мозаики оригами. Смотрите аннотации здесь и здесь.


Губка Mosely Snowflake
Business Card Origami Fractal
Сентябрь 2012: Большинство людей знают фракталы как вращающиеся изображения, созданные компьютером.С помощью оригами инженер Жаннин Мозли и организаторы Institute For Figuring создают Губка Mosely Snowflake. Он состоит из 49 000 визиток и представляет собой трехмерный фрактал. Это был 7-месячный проект, охватывающий весь кампус Университета Южной Калифорнии.

Губка Mosely Snowflake 3 уровня
- состоит из 18 единиц уровня 2;
- каждая единица уровня 2 состоит из 18 единиц уровня 1;
- каждый юнит уровня 1 состоит из 18 кубиков;
- каждый куб состоит из 6 визиток.
Соединительные карты необходимы, чтобы кубики соединялись без клея или ленты.

Всего

= 49000 визиток.
Попробуйте сами!
[Фото: Уровень 3 Mosely
Snowflake Sponge: физическое представление фрактала]



Hydro-Fold
складки, отпечатанные чернилами / водой, вызывают самосгибание.
В 2010 году исследователи разработали метод, при котором лист композитного материала может самосгибаться, когда через него проходит электрический ток (подробнее).В 2011 году этот процесс стал проще, когда исследователи смогли заставить полимерные листы складываться на полке под воздействием света (подробнее). В 2012 году станет еще проще! Самосгибание оригами стало возможным благодаря печати на бумаге смеси воды и чернил.

, апрель 2012 г .: Студент промышленного дизайна Кристоф Губеран из Ecole Cantonale d’art de Lausanne может сделать лист бумаги самосгибающимся при печати водой / чернилами на бумаге.

Процесс так же прост, как 1-2-3:
1) создать узор сгиба на компьютере,
2) распечатать узор на листе кальки,
3) посмотреть, как бумага сгибается по линиям сгиба .

В принтере используется специальная смесь воды и чернил. По мере высыхания смеси вода / чернила она заставляет бумагу изгибаться и складываться по напечатанным линиям сгиба, тем самым преобразуя двухмерный лист бумаги в трехмерную структуру с объемом.

Я не могу представить, чтобы это было легче, чем это!


Оригами ДНК Наноробот
В 2006 году исследователь Калифорнийского технологического института Пол Ротемунд создал ДНК оригами: вы можете вспомнить изображения смайликов, звезд и других плоских объектов, сделанных из взаимосвязанных нитей ДНК.

Перенесемся на 6 лет вперед (февраль 2012 г.), и эти смайлики найдут свое применение в реальной жизни. Исследователь из Института Висс (Гарвард) Шон Дуглас и его коллеги смогли использовать ДНК оригами для создания трехмерных фигур, таких как кубы и коробки. Что еще более важно, Дуглас смог использовать методы ДНК оригами для создания клетки, похожей на моллюска, которая могла нести и доставлять лекарства к определенным клеткам-мишеням. Моллюскоподобная клетка (нанороботы) имела «замки», которые расстегиваются при обнаружении клетки-мишени, тем самым высвобождая лекарство локально, .

Результаты многообещающие: будучи загруженными химическими веществами, убивающими раковые клетки, ДНК-нанороботы Origami доставляли лекарства, так что половина лейкозных клеток была уничтожена, тогда как ни одна из нормальных клеток не пострадала.


Итак ... где здесь «оригами»? К сожалению, настоящего оригами здесь не так много, за исключением термина «ДНК оригами». Однако вы можете сложить лист бумаги, чтобы он выглядел как двойная спираль ДНК здесь (Т Йенн) или здесь.

Изготовление всплывающего окна гарвардской монолитной пчелы
Это изобретение больше относится к категории изготовления и изготовления; Однако некоторые техники заимствованы из всплывающих книг и складывания оригами.

Гарвардские исследователи Sreetharan et al. разработали способ быстрого массового производства маленьких роботов. Monolithic Bee имеет высоту 2,4 мм и создается за один шаг и требует менее одной секунды. Не совсем оригами - но определенно в стиле оригами. Подробнее читайте в Havard.



Снежок оригами под осмотром
Январь 2012 г .: Снежный ком оригами (также известный как сморщенный лист бумаги) - главная тема статьи New Scientist от 5 января 2012 года.Исследователи Нараянан Менон и Анн Доминик Камбу из Массачусетского университета проанализировали физику смятого листа бумаги.

Офисный бумажный шар нам всем знаком, но знаете ли вы, что как бы вы ни сжимали конструкцию, она останется преимущественно (90%) воздушной? Те, кто занимается отправкой и получением, согласятся, что сморщенная бумага отлично подходит в качестве упаковочного материала. Это может быть связано с тем, что бумажные шарики поглощают вибрации, обеспечивая им отличную амортизацию.Скромный снежный ком оригами не поддается рентгеновскому анализу, поэтому многие его свойства до сих пор остаются загадкой. Подробнее читайте в New Scientist.



Самосгибание полимерных листов
Ноябрь 2011 г .: Майкл Дики и др. из Университета штата Северная Каролина разработали методику, при которой полимерные листы складываются самостоятельно под воздействием света. Полимерные листы (также известные как Shrinky Dinks) пропускались через настольный принтер, чтобы получить узор из черных линий (узор сгиба). Когда полимерные листы подвергаются воздействию света, они автоматически складываются по черным линиям.

Идея заключается в следующем: черный цвет поглощает больше энергии, чем бледные цвета, поэтому черные линии сжимаются быстрее, чем окружающие белые области. Вы можете изменить угол сгиба, изменив ширину черных линий. Вы можете получить складки долины или горы, напечатав линии на верхней или нижней стороне полимерного листа. Это так просто - возможности безграничны!



Быстрая и простая диагностика с помощью Origami
Октябрь 2011 г .: Используя простые методы складывания оригами, Крукс и Лю из Техасского университета в Остине разработали «Бумажное аналитическое устройство оригами» (oPAD), которое можно использовать для обнаружения таких заболеваний, как малярия и ВИЧ.OPAD может анализировать жидкости организма, такие как кровь, слюна или моча, чтобы быстро поставить диагноз без технических навыков и дорогостоящих лабораторных анализов.

Идея такова:
- реагенты (биомаркеры) размещаются на участках oPAD,
- oPAD складывается в многослойную стопку,
- наносится биологический образец,
- подождите, пока образец проникает во все слои,
- разверните oPAD и проанализируйте.

Этот процесс не требует специальных навыков, кроме складывания / раскладывания oPAD, а анализ прост (например, изменение цвета).


OPAD изготовлен из бумаги и стоит около 10 центов. Панели oPAD могут тестировать на разные заболевания или могут быть разными методами тестирования на одно заболевание. Это диагностическое устройство, вдохновленное оригами, в настоящее время находится на клинической стадии разработки.


Сумка для продуктов оригами

В марте 2011 года инженеры Чжун Ю и Вейна Ву (Оксфордский университет, Великобритания) разработали складывающийся пакет для продуктов оригами из стали. Как и следовало ожидать, этот пакет для продуктов оригами можно складывать и раскладывать из функционального коробчатого контейнера в плоские металлические листы.

Разве эта сумка для продуктов оригами не должна быть в разделе "Оригами на кухне", а не в разделе "Оригами в науке"? Возможно, вы правы, но в этой сумке для продуктов есть нечто большее, чем кажется на первый взгляд.

В настоящее время жесткие контейнеры, такие как картонные коробки, можно складывать, только если верхняя и нижняя панели остаются открытыми. Это утомительно, потому что вам нужно реконструировать дно перед тем, как использовать коробку. Здесь Ю и Ву разработали стальной (жесткий) контейнер, который можно складывать, не открывая нижнюю панель.Такой дизайн может сэкономить много времени, особенно при производстве и упаковке.

Можете ли вы представить себе коробку размером с дом, которую складывают и раскладывают, как этот пакет для продуктов оригами? Вы решаете: наука, фантастика или кухонные принадлежности?


Электронное оригами
Предоставьте Массачусетскому технологическому институту возможность преобразовать традиционное оригами в электронное оригами. В этих двух видео показаны традиционные птицы оригами, снабженные проводами и батарейками. В одном из них птица может махать крыльями сама благодаря проводу памяти.На втором видео две птицы общаются: когда одна птица машет крыльями, ее партнер загорается.
  • Электронное оригами, созданное Цзе Ци,
  • член группы High Low Tech в лаборатории MIT Media.
  • Посмотрите ее потрясающую электронную книгу здесь.
  • электрическое оригами также можно увидеть на vimeo


Самоскладывающиеся листы оригами
В выпуске PNAS от 2 июня 2010 г. исследователи Хоукс и др. Сообщают о разработке листа композитного материала, который может сам складываться.Плоский лист состоит из треугольных панелей, на которых установлены приводы (двигатели) из фольги. Когда через лист пропускается электрический ток, отдельные края расширяются и / или сжимаются, заставляя лист складываться в похожие на оригами лодки и самолеты. Как только желаемая форма получена, она удерживается на месте с помощью магнитов.

Эта, казалось бы, простая процедура важна, поскольку она требует, чтобы материал взаимодействовал с окружающей средой и перестраивался в соответствии с заданными формами / жесткостью. Это может привести, например, к тому, что мерный стаканчик складывается в зависимости от количества и / или температуры жидкости, которую он держит.



Оригами пыльца
В выпуске журнала PNAS от 23 апреля 2010 г. исследователи (Катифория, Албен, Серда, Нельсон и Дюмайс) из Университета Талсы показали, что пыльцевые зерна обезвоживаются и складываются определенным образом в зависимости от их геометрии. Это контролируемое складывание аналогично тому, как шаблон складки можно свернуть в заданную модель оригами.
  • Читать реферат
  • см. Видео, которое включает в себя замедленные фотографии складывания пыльцевых зерен во время высыхания

Солнечное оригами
16 февраля 2010 г .; Письма по прикладной физике.

Обычные солнечные панели плоские и не улавливают солнечные лучи эффективно, если они не были наклонены для отслеживания движения солнца. Профессор Массачусетского технологического института Джеффри Гроссман предложил метод складывания систем солнечных элементов, чтобы они могли производить постоянное количество энергии независимо от движения солнца. Некоторые из этих складчатых систем солнечных элементов в 2½ раза более эффективны, чем традиционные плоские батареи.

Доктор Гроссман комментирует, что его работа находится на очень ранней стадии разработки и что средства массовой информации навязывают ему термин «оригами».
Журавлик оригами с титановой печатью
В апрельском выпуске журнала Advanced Materials за апрель 2009 года Дженнифер Льюис и ее исследовательская группа (Университет штата Иллинойс) разработали новый метод изготовления небольших сложных трехмерных структур, необходимых в биомедицинских устройствах. Новый метод включает печать чернил на основе гидрида титана на плоских листах, а затем складывание листов в замысловатые узоры.

Изначально титановые листы высыхали и трескались, но исследователи решили эту проблему, применив идеи влажного складывания из оригами.Использовалась смесь быстро и медленно сохнущих растворителей, так что титановые листы частично высыхали, но оставались достаточно гибкими, чтобы складываться без трещин. По словам исследователей, «сочетание техники печати и оригами позволяет повысить структурную сложность».


Ультратонкие линзы оригами высокого разрешения
В январе 2007 года Эрик Тремблей и Джозеф Форд из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали ультратонкую линзу оригами с высоким разрешением. Объектив очень тонкий и в 7 раз мощнее обычных объективов фотоаппаратов.

Как правило, в объективах фотоаппаратов используется множество деталей для поворота и фокусировки света. Объектив Origami заменяет многие части обычного объектива камеры одной оптической системой; это делает линзу тоньше.

Линза оригами сделана из кристалла с алмазной огранкой, так что свет распространяется зигзагообразно, аналогично складке бумаги в оригами. Примечание: сам объектив не складывается, а складывается оптический тракт.

  • Прочтите пресс-релиз от UCSD.
  • Закажите всю публикацию в Applied Optics.
  • Прочтите статью Роберта Лэнга об Оптигами; сворачивание светового пути
  • Фотография сделана Э. Тремблеем и Калифорнийским университетом в Сан-Диего.




Робот da Vinci делает оригами
Хирургическая система da Vinci® была изобретена компанией Intuitive Surgical и одобрена Управлением по контролю за продуктами и лекарствами для различных хирургических процедур. По сути, это
- 4 маленьких роботизированных манипулятора, управляемых с помощью джойстика и ножных лепестков,
- визуальная система с трехмерным увеличением и
- консоль с экраном компьютера.
Эти элементы позволяют хирургам точно выполнять небольшие операции.
Итак, при чем здесь оригами?

Ноябрь 2006 г .:
Это видео демонстрирует ловкость робота да Винчи и мелкие детали работы, которую может выполнять квалифицированный хирург. Скромный бумажный журавлик используется, чтобы доказать ценность высокотехнологичного устройства стоимостью 1,75 миллиона долларов.

March 2011:
Другой пример: бумажный самолетик размером с пенни изготовлен доктором из Сиэтла с помощью робота да Винчи.В этом видео показано, как манипулировать клещами da Vinci с помощью переходников для пальцев.


ДНК оригами
На обложке журнала Nature от 16 марта 2006 г. исследователь Калифорнийского технологического института Пол Ротемунд объявил о разработке ДНК оригами. Здесь не так много настоящего складывания оригами; тем не менее, много складок ДНК и большой потенциал для будущих приложений.

Идея проста: ДНК складывается взад и вперед, а затем удерживается вместе меньшими цепями ДНК в ключевых позициях.Это работает благодаря спариванию Ватсона и Крика: вспомните правило биологии 101, согласно которому A связывается с T, а C связывается с G. На фото показаны формы ДНК оригами, сфотографированные с помощью атомно-силового микроскопа. Почему это важно для нас? Что ж, это может привести к другой молекулярной самосборке наноструктур. Обратите внимание, что эти формы ДНК имеют диаметр около 100 нм - это довольно мало, потому что средний зародыш составляет 1000 нм.


Медицинское применение, стенты
В 2003 году Чжун Ю и Каори Курибаяси из Оксфордского университета разработали стент оригами, который можно использовать для увеличения закупоренных артерий и вен.Основа водяной бомбы из оригами была использована для создания стента оригами.

Стент - это трубка, которая может сжиматься до меньшего размера. С помощью баллонного катетера стент перемещается через вены / артерии пациента к месту образования тромба. Когда баллон надувается, стент расширяется до большего диаметра, тем самым открывая вену / артерию для лучшего кровотока. В зависимости от области применения ткань может разрастаться над стентом и оставаться в пациенте навсегда. К 2005 году был разработан саморазвертывающийся стент оригами.


Космический телескоп, очки
Для изучения удаленных галактик и астрономических явлений необходим большой космический телескоп. Однако гигантские телескопы не могут быть отправлены в космос из-за ограничений по размеру ракет и шаттлов.

Профессиональный художник-оригами Роберт Лэнг помог ученым из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (Ливермор, Калифорния) разработать метод складывания космического телескопа, чтобы его можно было упаковать в космический шаттл, а затем легко развернуть в космосе.Складывающийся телескопический объектив называется «Очки».

В начале 2002 года был построен телескопический объектив диаметром более 3 метров. В сложенном виде в стиле оригами он был 1,2 метра в диаметре и имел форму цилиндра. К началу 2004 г. был сконструирован 5-метровый прототип объектива, который, как и ожидалось, концентрировал свет.

В будущем, возможно, появится возможность складывать 100-метровые линзы телескопов в цилиндры диаметром 3 метра и доставлять их в космос - все благодаря оригами.

Фото: Космический телескоп «Очко» можно складывать в стиле оригами из плоского диска (справа внизу) в цилиндр меньшего размера (вверху слева). Благодарим Калифорнийский университет, Ливерморскую национальную лабораторию Лоуренса и Министерство энергетики, под эгидой которых выполнялась работа.

  • Подробнее об очках от LLNL.
  • См. Фотографии линз космических телескопов 3,3 и 5 метров.
  • См. Фотографии складываемого объектива телескопа (сайт Э. Демена).
  • Прочтите комментарий Роберта Лэнга о проекте Eyeglass.

    Солнечные паруса в космическом полете

    В марте 1995 года японские ученые использовали концепции оригами для упаковки и развертывания солнечной батареи на исследовательском судне под названием Space Flight Unit (SFU). На Земле солнечная батарея была свернута в компактный параллелограмм, а затем в космосе ее расширили в солнечный парус. Метод складывания солнечных панелей получил название «Миура-ори» в честь Корё Миура, профессора Токийского университета, который разработал складку.


    Miura-ori (перевод = Miura-fold) известна в области складывания карт. Miura-ori позволяет сложить квадратный лист бумаги таким образом, чтобы его можно было открыть (одним движением), потянув за два противоположных угла. Кроме того, сложенная карта Miura-ori с меньшей вероятностью разорвется на стыках складок. Простая в использовании дорожная карта - теперь это наука оригами!


    Подушки безопасности в автомобилях :

    Немецкая компания EASi Engineering была заинтересована в поиске лучшего способа установки подушек безопасности в рулевые колеса автомобиля.Роберт Лэнг, профессиональный художник-оригами, помог разработать алгоритм, позволяющий моделировать складывание и раскрытие подушек безопасности на компьютере. Это позволило компании оценить эффективность подушек безопасности без проведения краш-теста. Экономит деньги, экономит время, спасает жизни. Что может быть лучше?

    Исследования продолжаются. Прочтите комментарии Роберта Лэнга о проекте подушки безопасности.
    Изображение из презентации US Zeitgeist 2010.



    Другие научные приложения оригами

    Зоны деформации в машинах :

    В большинстве машин есть заранее обозначенные зоны деформации спереди и сзади.Это спроектированные зоны, которые разрушатся при столкновении. Складывание в зонах деформации поглотит энергию удара и потенциально спасет жизни пассажиров. Совместно с Nissan Motor Company японский ученый Ичиро Хагивара использует свои знания в области оригами, чтобы разработать узор изгиба, который будет поглощать максимум энергии при ударе. Ведутся исследования.

    Дополнительные материалы по оригами

  • примеров полезных оригами от UCL 3C41 Research Group
  • прочитать Наука оригами в тенденциях в Японии
  • статья С. Кришнана на сайте Дона Коэна

    Пожалуйста, помогите

    Пожалуйста, помогите, сообщив о неработающих ссылках на странице науки оригами.Одно простое сообщение от вас может сэкономить нам часы и часы нажатия. Благодаря!

    Многие из этих изображений науки оригами взяты из Интернета: они стали вирусными без четких указаний на то, кто является законным владельцем фотографии. Сообщите нам, если вы хотите, чтобы ваше научное фото оригами было удалено с этого сайта.

  • .

    Физика - Топологическое оригами

    & bullet; Physics 9, s36

    Оригами, сформированный путем складывания и резки материала, может иметь четко определенные настраиваемые механические свойства.

    Бен Лю / Корнельский университет

    Бен Лю / Корнельский университет

    ×

    Сложите тонкий лист бумаги пополам, и он станет жестче. Продолжайте добавлять складки, и бумага может превратиться в жесткую структуру, сохраняющую свою форму.Новая теоретическая работа показывает, что оригами и киригами (оригами, в которых складки сопровождаются разрезами) могут быть жесткими с одного конца и гибкими с другого, путем настройки углов сгибов и положения разрезов. Полученные конструкции попадают в одну из двух различных топологических фаз с четко определенными механическими свойствами.

    Брайан Гин-ге Чен, ныне работающий в Массачусетском университете в Амхерсте, и его коллеги соединили вместе серию четырехсторонних пластиковых элементов, используя петли, чтобы создать длинную тонкую прямоугольную структуру.Эта структура была зажата между двумя пластинами, заставляя материал самопроизвольно изгибаться, как гармошка, в череду гор и долин. Группа разработала клеточные узоры таким образом, чтобы жесткость оригами была асимметричной по длине материала. Складки образовавшихся структур постепенно переходили от острых (мягких) на одном конце к неглубоким (жестким) на другом. Оригами было разделено на одну из двух топологических фаз в зависимости от того, левый или правый конец был самым мягким.По прогнозам авторов, можно проектировать и более крупные квадратные конструкции с асимметричными механическими свойствами, но только если части рисунка полностью вырезаны (киригами). Без отверстий сложенные конструкции были бы равномерно мягкими по краям и жесткими в середине. Чен и его коллеги предполагают, что их модели можно использовать для создания материалов с заданными механическими свойствами.

    Это исследование опубликовано в Physical Review Letters.

    –Кэтрин Райт


    Тематические области

    Статьи по теме

    Космология

    Граница маломассивной темной материи

    Традиционные поиски темной материи основываются на гигантских детекторах, которые ищут частицы тяжелее протона , но взгляды обращаются к более мелким экспериментам с чувствительностью к более легким частицам. Подробнее »

    Материаловедение

    Атомное изображение трещин

    С помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии исследователи наблюдают, как двухмерный кристалл разрывает одну атомную связь за раз.Подробнее »

    Материаловедение

    Максимальное использование рок-н-ролла

    Итерационный алгоритм, который может учитывать неконтролируемое движение наночастиц, позволяет визуализировать эту крошечную систему с помощью когерентной дифракции Брэгга. Подробнее »

    Еще статьи.

    Итаи Коэн объясняет физику складки Миура-ори

    Поделиться интерактивная стенограмма запросить стенограмму / субтитры живые субтитры | MyPlaylist

    ИТАЙ КОЭН: У нас выходит статья о механике оригами, и я подумал, что расскажу вам немного об общей стратегии, которая у нас есть, и о том, как мы думаем об этой области. Особая статья, которую мы написали в Science, посвящена складке Миура-ори. По сути, это серия параллелограммов, которые, когда они складываются в лист бумаги, придают этой бумаге некоторые механические свойства, которые определяются узорами сгиба, которые мы вкладываем в саму бумагу.Хорошая вещь в этой стратегии придания материалам механических свойств заключается в том, что, например, изменяя структуру сгиба, я могу придать бумаге другую эффективную жесткость. Я также могу представить новые, новые механические свойства. Например, если я возьму банан и просто сдавлю его в руке, этот банан выплюнет другие концы. Но этот конкретный образец, если я расширяю его в одном направлении, расширяется в другом направлении. И если я сжимаю его, он сжимается в другом направлении.ХОРОШО. Таким образом, он имеет так называемый отрицательный коэффициент Пуассона. И это говорит о том, что такого удивительного в этих материалах. Мы можем запрограммировать шаблоны складывания, которые определяют механические свойства и дают нам новые свойства, такие как отрицательный коэффициент Пуассона, который мы не могли бы получить с материалами сами по себе. В статье, которую мы написали, подчеркивается еще одна особенность: вы можете программировать жесткость Miura-ori. И я делаю это путем внедрения сквозных дефектов. Итак, я беру одну из этих вершин и выдвигаю ее.ХОРОШО. Вы можете увидеть это здесь с этой стороны. Отлично. Лист уже не такой плоский, как раньше. Но самое замечательное в этом то, что раньше ... поэтому, если у меня нет сквозного дефекта, я мог бы довольно легко сложить лист. Когда у меня есть этот сквозной дефект, лист не может складываться дальше. Становится жестче. Располагая эти сквозные дефекты на моем листе, я могу эффективно настраивать механические свойства. Итак, это форма программируемой материи, в которой мы можем не только исправить один шаблон и получить один набор механических свойств, но мы можем изменить этот шаблон на лету.Но оригами - это своего рода огромный мир шаблонов складывания, которые придают всевозможные интересные механические формы. Я мог представить себе, как сделать машину из такого рода складок здесь, где у меня есть привод. Просто нажав сюда внутрь, я заставляю этот узор растягиваться снаружи. Таким образом, возникает основной вопрос: какова наша глобальная стратегия в отношении этих материалов для оригами? Просто разработав их образцы, мы можем создать что угодно, от уникальных механических свойств до переключателей.Это пример квадратного скручивания, при котором, если я потяну, я могу развернуть его, но если я немного надавлю, вы увидите, что он встал на место. И это пример схемы переключения. Правильно? Вы тянете, вы тянете, вы ничего не получаете. Но если потянуть достаточно сильно, и в конце концов он откроется. ХОРОШО. Итак, эти механические устройства теперь можно придумать, но, вероятно, не в бумажном масштабе. Я и мои коллеги действительно хотели бы подумать об их реализации в меньших и меньших масштабах.Что произойдет, если мы сможем сделать такие структуры из гелевых листов толщиной всего в микрон? Что произойдет, если мы начнем делать эти узоры из графена? Итак, это самый тонкий лист, на котором вы когда-либо могли делать оригами. Идея здесь в том, что когда вы переходите к меньшим масштабам, часто бывает трудно делать то же самое, что мы считаем само собой разумеющимся в больших масштабах. Так, например, если бы я собирался построить робота в макроскопическом масштабе, я мог бы взять откуда-нибудь ткань, может быть, стальную цепь, может быть, металлический стержень или немного дерева и сконструировать придатки.Но в наномасштабе получение такого разнообразия материалов часто является непозволительным. Часто это сделать очень сложно. Мы думаем, можем ли мы начать вместо того, чтобы пытаться брать разные материалы, можем ли мы начать с того же материала, что-то вроде графена, а затем, складывая его или разрезая на разные формы, можем ли мы придать ему новые механические свойства на основе сложенного и вырезать выкройки, и таким образом изготавливать различные материалы, необходимые для нашего робота в наномасштабе? Это идея. И я надеюсь, что я передал, насколько забавны эти шаблоны, и диапазон возможностей, которые у нас есть для работы с ними.

    Икс

    Мы получили ваш запрос

    Вы будете уведомлены по электронной почте, когда будут доступны стенограмма и подписи. Процесс может занять до 5 рабочих дней. Пожалуйста, свяжитесь с [email protected], если у вас есть какие-либо вопросы по этому запросу.

    Исследователи из Корнелла открывают, как принципы оригами могут привести к созданию экзотических материалов, мягких роботов и даже крошечных трансформеров.

    .

    Вот как оригами можно использовать для формирования будущего инженерии

    Предоставлено: Северо-Восточный университет.

    Складывание бумажного журавлика - медленный и методичный процесс. Так разворачивается множество солнечных панелей в космосе.

    Но для других преобразований важнее скорость. В статье, опубликованной в декабрьском номере Physical Review Letters , исследователи из Northeastern показали, что можно изменить форму структуры, вдохновленной оригами, менее чем за одну секунду.

    «Мы не только можем переключаться между различными конфигурациями очень быстро - менее чем за секунду - но и очень надежны», - сказал Сэмюэл Фелтон, доцент кафедры машиностроения и промышленного строительства.

    Конструкция, разработанная Фелтоном и Чанг Лю, аспирантом инженерного факультета, выглядит обманчиво простой. Он сделан из двенадцати пластиковых частей, соединенных вместе Y-образной формой с петлями между ними. Но в зависимости от направления изгиба каждой петли может быть 17 различных форм.

    Исследователи обнаружили, что они могут по существу встряхивать конструкцию в разные формы, используя один двигатель, чтобы быстро открывать и закрывать петлю в нижней части Y-образной формы. Полученная конфигурация определяется тем, насколько петля открывается перед возвращением в исходное положение.

    Как правило, инженерия, вдохновленная оригами, требует точного управления каждой петлей для перемещения идеально жестких панелей на место в правильном порядке. Но Фелтон и Лю используют слегка гибкие панели.При небольшом ускорении каждый шарнир может перемещаться вперед и назад между своими двумя положениями, как браслеты с шлепками, которые стали популярной модой в 1990-х годах.

    Предоставлено: Ханна Мур / Северо-Восточный университет.

    «Это быстро и воспроизводимо, что является редкостью для трансформации оригами», - сказал Фелтон.

    Исследователи заявили, что их структура может быть использована для создания новых дизайнов на основе оригами в нескольких областях инженерии. Фелтон особенно заинтересован в создании антенных решеток, которые можно быстро перенастроить для более эффективного сканирования больших площадей.

    Антенные решетки состоят из нескольких антенн, которые работают вместе, чтобы обнаруживать сигналы и определять направление, откуда они приходят. Но в неподвижном состоянии массивы лучше всего улавливают сигналы с определенного направления. Чтобы собрать больше информации, им нужно переехать.

    «Тот же узор, вдохновленный оригами, если сделать его проводящим, действует как антенна», - сказал Фелтон. «Мы могли бы подключить несколько антенн к одному и тому же механизму. Затем, вместо того, чтобы просто активировать одну из них, мы можем активировать целый их массив.Вы можете немного изменить их все ».

    По словам Фелтона, было бы быстрее переориентировать массив антенн, встряхнув их в новую форму, чем используя другие доступные в настоящее время методы. А поскольку многие антенны можно было настроить с помощью одного двигателя, массивы можно было бы уменьшить в размерах для использования на дронах и других технологиях, где пространство и вес становятся решающими факторами.

    Фелтон и Лю также ищут возможности применить свою работу в робототехнике.

    «С оригами теоретически можно сложить все, что угодно», - сказал Фелтон.


    Профессор создает самосгибающихся роботов-оригами
    Дополнительная информация: Чанг Лю и др. Динамика трансформации в оригами, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.121,254101 Предоставлено Северо-Восточный университет

    Цитата : Вот как оригами можно использовать для формирования будущего инженерии (2019, 14 января) получено 3 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-01-origami-future.html

    Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

    .

    Квантовая физика и оригами для лучшей карты выздоровления

    Концепт-арт металлических наночастиц. Фото: профессор Иден Моралес-Нарваес, ИТ-директор Мексики

    Диагностические тесты на бумажной основе дешевы, удобны и поддаются биологическому разложению. Однако их использование ограничено обычными красителями, которые недостаточно яркие, чтобы показать следовые количества аналита, склонны к выцветанию и могут быть токсичными для окружающей среды.

    Теперь исследователи используют квантовую физику для преодоления этих ограничений, говорится в обзоре, опубликованном в Frontiers in Bioengineering and Biotechnology .Необычные оптические свойства крошечных металлических частиц - меньших, чем световые волны - можно зафиксировать на бумаге, чтобы обнаружить даже одну целевую молекулу в тестовом образце. Эти сверхчувствительные испытательные устройства могут быть собраны и настроены на месте использования в средах с ограниченными ресурсами, с практически безграничными приложениями, охватывающими медицину, судебную экспертизу, производство и экологическую безопасность.

    «Разрабатывается новое поколение аналитических устройств на бумажной основе, в которых для идентификации аналитов используются металлические наночастицы», - говорит ведущий автор д-р.Эден Моралес-Нарваес из Центра оптических исследований в Мексике. «Это позволит проводить недорогое тестирование в условиях ограниченных ресурсов, от клиник до мест преступлений и загрязненных источников воды».

    Бумажная диагностика - это разумно, но не ярко

    Бумага

    - идеальный носитель для дешевых и доступных диагностических устройств - она ​​уже прошла долгий путь от полосок в стиле тестов на беременность, которые просто смешивают образец с исследуемым химическим веществом.

    «Бумажные устройства могут фильтровать, концентрировать и смешивать реагенты с контролируемым временем и последовательностью, используя инструкции, на которых можно делать отметки, рисовать или даже печатать», - объясняет Моралес-Нарваэс.«Некоторые группы даже использовали оригами для изменения направления потока и добавления этапов обработки, которые позволяют более сложные, дублирующие или параллельные реакции с использованием одного бумажного устройства».

    Настоящие трудности возникают при чтении результатов этих бумажных тестов.

    «Тестовые реакции устроены так, что если интересующее вещество или« аналит »- например, биомаркер или загрязнитель - присутствует в образце, цветовой пигмент образуется или изменяется.

    «Проблема в том, что обычные пигменты создают цвета, избирательно поглощая одни длины волн и просто отражая другие - например, красные чернила кажутся красными, потому что они сильно поглощают в синей и зеленой областях спектра.

    «Это означает, что для появления видимого изменения цвета требуется относительно большое количество аналита. Другими словами, тест не очень чувствителен».

    Что еще хуже, результат теста не может быть сохранен в виде записи, потому что пигменты склонны к выцветанию, а в некоторых случаях нельзя безопасно выбросить из-за токсичности пигмента.

    Решение квантовой физики

    Для бумажных тестов нужен сверхяркий цветной индикатор. Металлические наночастицы (МНЧ).

    «MNP могут давать более яркий и продолжительный цветовой сигнал, поскольку они значительно усиливают определенную длину волны света, а не просто отражают ее», - резюмирует Моралес-Нарваэс.

    Как следует из названия, MNP представляют собой куски металла нанометрового размера. Их поведение примерно в 10-100 раз меньше, чем световые волны, поэтому они входят в странную сферу квантовой физики.

    «Проще говоря: металлы состоят из фиксированной решетки положительных ионов, которые разделяют« облако »отрицательно заряженных свободных электронов.

    «В кусках металла нанометрового размера световые волны определенной длины заставляют эти свободные электроны колебаться по отношению к закрепленным положительным ионам в металле. Эта вибрация усиливает свет, излучая более яркий цвет».

    Все еще не знаете? Помните, что свет - это видимое электромагнитное поле. Представьте себе металлический куб, помещенный внутри этого поля.Электроны, будучи отрицательно заряженными, будут двигаться к положительному полюсу поля, обнажая положительные ионы металлов на отрицательном полюсе. Когда поле исчезает (или, скорее, когда оно - световая волна - колеблется), электроны движутся в противоположном направлении, отталкиваясь друг от друга и притягиваясь обратно к непокрытым положительным ионам металла. Электроны колеблются взад и вперед, изменяя полярность электромагнитного поля.

    Сверхчувствительная бумажная диагностика

    Важно отметить, что конкретная длина волны, которая заставляет свободные электроны вибрировать, настраивается, поэтому цвет, усиленный MNP, зависит от их формы, размера и расстояния, а также от типа металла и окружающей среды.

    Таким образом, существуют различные способы связать тестовую реакцию на бумаге с изменением цвета MNP.

    «Вы можете создать MNP, которые связывают аналит, а затем позволить им течь в растворе через фиксированные элементы биораспознавания на бумаге, такие как антитела, которые также связывают аналит. Положительный тест вызовет накопление MNP и, таким образом, изменит их расположение и окружение.

    «Альтернативно, МНЧ могут высвобождаться из удерживающей молекулы, когда она вступает в реакцию с аналитом.

    «Некоторые аналиты могут даже разрушать МНЧ, вызывая непосредственное изменение цвета. Например, аммиак и другие летучие соединения от порчи пищевых продуктов или УФ-излучение от воздействия солнца».

    Результат: сверхчувствительная бумажная диагностика.

    «МНЧ могут вызывать видимые изменения цвета даже при аттомолярных концентрациях аналита», - подтверждает Моралес-Нарваэс.

    Это примерно 30 молекул на каплю исследуемого образца. Но если бумажный тест считывается не человеческим глазом, а специальной машиной, чувствительность еще выше.

    «В сочетании со сканирующей техникой, называемой рамановской спектроскопией, MNP могут сообщать об обнаружении одной молекулы аналита».

    Только в 2018 году было опубликовано более 10 000 исследовательских статей, посвященных использованию MNP, и, возможно, совсем скоро бумажные диагностические устройства на основе квантовой физики войдут в мейнстрим.


    Химические вещества заставляют диполи гасить плазмоны
    Дополнительная информация: Границы биоинженерии и биотехнологии , DOI: 10.3389 / fbioe.2019.00069, www.frontiersin.org/articles/1… bioe.2019.00069 / полный

    Ссылка : Квантовая физика и оригами для окончательной карты выздоровления (29 марта 2019 г.) получено 3 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-03-Quantum-Physics-origami-ultimate-get-well.html

    Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

    .

    ДНК оригами создает трехмерные сверхпроводящие наноструктуры - Physics World

    ДНК оригами создает трехмерные сверхпроводящие наноструктуры - Physics World Перейти к основному содержанию

    Больше

    Переключить меню МЕНЮ