哈佛科學家利用簡單幾何原理，制造可作為災區(qū)緊急避難所的帳篷

在 2016 年的環(huán)法自行車賽上，巨大的充氣拱門突然倒塌，導致比賽被迫中止。

雖然充氣拱門易于運輸和組裝，但這種充氣結(jié)構(gòu)大都是單穩(wěn)態(tài)的，需要恒定的壓力輸入才能保持固定形狀。事實上，臨時結(jié)構(gòu)存在一個設(shè)計學上的短板：它要么結(jié)構(gòu)緊湊便于運輸，要么易于組裝，要么堅固，但是三者難以兼得。例如充氣拱門雖然易運輸和組裝，但難保安全和穩(wěn)定性。

事實上，傳統(tǒng)的臨時結(jié)構(gòu)都未能很好的解決上述三者的兼容性問題。最常見的臨時結(jié)構(gòu)例如帳篷，它由相互連接的桿元件而成，外面覆上織物，形成一個密閉的空間。這些桿元件可以靈活伸縮，只要把連接各個桿的 “關(guān)節(jié)” 鎖定，就能形成一個相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而，帳篷的組裝過程一般比較繁瑣，遇到大風也很容易被掀翻；另外一種則利用充氣膜，通過恒定的壓力輸入使其膨脹為特定形狀。這種結(jié)構(gòu)需要需要持續(xù)充氣，并且要求很好的氣密性，如果閥門泄漏或者充氣膜被刺破，就會倒塌甚至發(fā)生爆炸。

折紙藝術(shù)為解決這一問題提供了靈感。哈佛大學約翰 - 保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的團隊研發(fā)的多穩(wěn)態(tài)米級充氣折紙結(jié)構(gòu)找到了三者之間的平衡點。這種結(jié)構(gòu)靈感源自折紙藝術(shù)，相關(guān)論文 4 月 22 日發(fā)表在 Nature 上。它在折疊時易于收納，充氣后可以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，無需持續(xù)充氣。論文的主要作者卡蒂婭?貝托迪（Katia Bertoldi）說：“這項研究為新一代大型充氣結(jié)構(gòu)的應用提供了直接途徑。這種結(jié)構(gòu)在布置后即可固定，不需要持續(xù)充氣就能夠保持固定。”

折紙已有較長的歷史，科學家和工程師最近才將目光轉(zhuǎn)向這一古老的藝術(shù)?！罢奂埖恼嬲龔姶笾幵谟?，可以用一張紙在三個維度上折疊成多種結(jié)構(gòu)。” 論文的第一作者 David 說。在折紙的啟發(fā)下，研究人員通過幾何分析和實驗，搭建了一個多穩(wěn)態(tài)的折紙形狀庫，它可以組合多種形狀，以構(gòu)建閉合的雙穩(wěn)態(tài)甚至多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。研究者將不同的三角形布置在同一空間內(nèi)，將其重新排列于 “柔性鉸鏈” 之上，從而分析如何組合不同三角形，以構(gòu)建多種復雜結(jié)構(gòu)。

研究人員在論文中展示了許多不同形狀的結(jié)構(gòu)，例如拱門、可伸縮的吊桿甚至塔式結(jié)構(gòu)。David 說：“這種結(jié)構(gòu)由剛性面制成，它可以折疊得非常緊湊。” 只需充氣，它就可以膨脹成多種特定結(jié)構(gòu)。

為了測試該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性，研究人員用厚塑料板設(shè)計并建造了一個 1 米 * 2 米 * 0.25 米 * 的充氣帳篷。在充氣后，它可以迅速展開成一個內(nèi)部空間為 2.5 米 * 2.6 米 * 2.6 米的帳篷?！拔覀円揽繕?gòu)件的幾何形狀，而不是材料的特性實現(xiàn)穩(wěn)定性。這意味著我們幾乎可以用所有材料，包括廉價的可回收材料來制造這些構(gòu)件?！?論文的另一位作者本杰明·格里森 （Benjamin Gorissen）介紹說。

迄今為止，關(guān)于折紙結(jié)構(gòu)的大部分研究都以厘米為單位。SEAS 的研究將這一結(jié)構(gòu)擴展了一個量級，實現(xiàn)了米級的折紙結(jié)構(gòu)。這意味著，該研究將促進大型折紙結(jié)構(gòu)的工程學應用。David 說：“您可以想象，將這些充氣式帳篷用作災區(qū)應急響應的避難所。它們可以堆放在卡車上，只需要一個壓力源就可以給它們充氣。充氣后，可以卸下壓力源，為下一個帳篷充氣。” 在災害救援中，這種折紙能夠節(jié)省運輸成本、儲存空間和安裝時間，實現(xiàn)安全快速部署。如今，部署軍事野戰(zhàn)醫(yī)院需要十幾個人，而折紙結(jié)構(gòu)的避難所可以由一兩個人快速搭建。

它不僅可以作為災區(qū)的緊急避難所，還具備多種應用前景。研究人員介紹，充氣折紙結(jié)構(gòu)可以成為防洪屏障、音樂廳中的可變音板，甚至是太空中的可折疊衛(wèi)星。此外，折紙結(jié)構(gòu)通過應用不同的材料，可以滿足新型建筑物對光、熱的要求，成為傳統(tǒng)建筑材料，例如混凝土和磚的有效替代物。

“我們已經(jīng)建造了前所未有的大型充氣結(jié)構(gòu)空間，該結(jié)構(gòu)可以折疊成扁平狀并保持其展開的形狀，而不會發(fā)生災難性的破裂風險?！?論文的合著者查克?霍伯曼（Chuck Hoberman）說，“折紙結(jié)構(gòu)通過可充氣 - 復原的致動原理實現(xiàn)硬壁結(jié)構(gòu)，我們相信它擁有重要的應用前景。不僅僅是在地球上，它還可能作為月球或火星探索的棲息地?！?/span>

折紙充氣結(jié)構(gòu)使用的是高中課本上的簡單幾何原理，David 說。他們渴望通過最基本的幾何原理的應用，革新工程技術(shù)并改變世界。不過，折紙結(jié)構(gòu)走向?qū)嶋H應用還需進一步的研究。在大型結(jié)構(gòu)被建造并用于建筑物中之前，仍需要解決幾個問題，因為較大的物體更容易受到壓縮應力和牽引力的變化的影響。

-End-