灵感来自折纸:下一代充气建筑不需要持续的压力就能保持其形状

放大字体  缩小字体 2021-04-25 17:36  浏览次数:
Bistable pop-up structures inspired by origami

2016年,在环法自行车赛(Tour de France)上,一个充气拱门因漏气而倒在一名骑自行车的人身上,造成了严重破坏,把他从自行车上抛了下来,比赛推迟,而官员们则忙于清理道路上的碎片。官方将拱门倒塌归咎于一名过路观众的皮带扣,但真正的罪魁祸首是物理学。

今天的充气结构,从战地医院到体育场馆,都是单稳态的,这意味着它们需要持续的压力输入来保持其充气状态。失去这种压力,结构就会回到它唯一稳定的形状-平面。

但如果这些结构有不止一种稳定态呢?如果拱门在膨胀的时候和在地面上是平的时候一样稳定呢?

现在,哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员受到折纸的启发,开发出了双稳态充气结构。

这项研究发表在 自然

SEAS应用力学的William and Ami Kuan Danoff教授、该论文的资深作者Katia Bertoldi说:“这项研究为新一代稳定、大规模的充气系统提供了直接途径,该系统在部署后可以锁定位置,不需要持续压力。”

受折纸艺术的启发和几何学的指导,研究团队开发了一个三角形积木库,可以弹出或折叠平,并结合在不同的配置,以建立封闭的,多稳定的形状。






“我们依赖这些构件的几何形状,而不是材料特性,这意味着我们可以使这些构建块的任何材料,包括便宜的可回收材料,”本杰明Gorissen说,在材料科学与机械工程助理海洋和co-first该论文的作者之一。

把他们的设计过程带到现实世界中,研究人员用厚塑料板设计并建造了一个8英尺乘4英尺的充气避难所。

“你可以想象这些避难所是作为灾区应急响应的一部分部署的,”该研究的博士生、论文的共同第一作者戴维·梅兰康(David Melancon)说。“它们可以平堆放在卡车上,你只需要一个压力源就可以给它们充气。充气后,就可以移除压力源,转移到下一个帐篷。”

这个避难所可以由一到两个人来搭建,而现在的战地医院需要十几个人来搭建。

这些折纸结构的构建块可以混合和匹配创建任何形状或大小的结构。研究人员还建造了一系列其他结构,包括拱门、伸缩臂和宝塔式结构。研究人员还设计了两种以上稳定形状的形状。

设计研究生院皮尔斯·安德森设计工程讲师、论文合著者查克·霍伯曼(Chuck Hoberman)表示:“我们已经开启了一个前所未有的大型充气结构设计空间,这种结构可以平折并保持其展开形状,而不会出现灾难性破裂的风险。”“通过使用充气、可逆驱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,而且可能作为月球或火星探索的栖息地。”

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