"Blade Runner", "Air Prison", "Heavy Rain" - o que esses representantes da cultura de massa têm em comum? Ao todo, em um grau ou outro, existe uma antiga arte japonesa de dobrar papel - o origami. Em filmes, jogos e na vida real, o origami é frequentemente usado como um símbolo de certos sentimentos, algum tipo de memória ou um tipo de mensagem. Este é mais um componente emocional do origami, mas do ponto de vista da ciência, muitos aspectos interessantes de uma ampla variedade de campos estão ocultos nas figuras de papel: geometria, matemática e até mesmo mecânica. Hoje vamos dar uma olhada em um estudo no qual cientistas do Instituto Americano de Física criaram um dispositivo de armazenamento de dados dobrando / desdobrando figuras de origami. Como funciona exatamente um cartão de memória de papel,quais princípios são implementados nele e quantos dados esse dispositivo pode armazenar? Encontraremos respostas para essas perguntas no relatório dos cientistas. Ir.
É difícil dizer exatamente quando o origami se originou. Mas sabemos com certeza que não antes de 105 d.C. Foi neste ano na China que Tsai Lun inventou o papel. Claro que até então o papel já existia, mas não era feito de madeira, e sim de bambu ou seda. A primeira opção não foi fácil e a segunda extremamente cara. Tsai Long foi contratado para propor uma nova receita de papel que fosse leve, barata e fácil de fazer. Não é uma tarefa fácil, mas Tsai Lun se voltou para a fonte de inspiração mais popular - a natureza. Por muito tempo ele observou vespas, cujas moradias eram feitas de madeira e fibras vegetais. Tsai Lun conduziu muitos experimentos nos quais usou uma variedade de materiais para o futuro papel (casca de árvore, cinzas e até redes de pesca) misturado com água.A massa resultante foi disposta em uma forma especial e seca ao sol. O resultado desse trabalho colossal foi um assunto prosaico para uma pessoa moderna - o papel.
Em 2001, um parque com o nome de Tsai Lun foi inaugurado em Leiyang, China.
A disseminação do papel para outros países não aconteceu instantaneamente, apenas no início do século 7 sua receita chegou à Coréia e ao Japão, e o papel chegou à Europa apenas no século 11 a 12.
Os usos mais óbvios do papel são, é claro, tanto em manuscritos quanto em impressão. No entanto, os japoneses encontraram uma aplicação mais elegante para isso - origami, ou seja, figuras de papel dobráveis.
Uma curta excursão ao mundo do origami e da engenharia.
Existem muitas opções de origami, bem como as técnicas para fazê-los: origami simples, kusudama (modular), dobradura molhada, origami de padrão, kirigami, etc. (The Essential Guide to Origami )
Do ponto de vista da ciência, origami é um metamaterial mecânico cujas propriedades são determinadas por sua geometria, não pelas propriedades do material do qual é feito. Foi demonstrado há algum tempo que estruturas versáteis implantáveis em 3D com propriedades exclusivas podem ser criadas usando padrões de origami repetitivos.
Imagem nº 1
na imagem 1bum exemplo de tal estrutura é mostrado - um fole implantável, construído a partir de uma folha de papel de acordo com o esquema em 1a . A partir das opções de origami disponíveis, os cientistas identificaram uma opção que implementa um mosaico de painéis triangulares idênticos dispostos em simetria cíclica, conhecido como origami de Cresling.
É importante notar que as estruturas baseadas em origami são de dois tipos: rígidas e não rígidas.
Origami rígidos são estruturas tridimensionais em que apenas as dobras entre os painéis são deformadas durante o desdobramento.
Um excelente exemplo de origami rígido é o Miura-ori, usado para criar metamateriais mecânicos com coeficiente de Poisson negativo. Este material tem uma ampla gama de aplicações: exploração espacial, eletrônica deformável, músculos artificiais e, claro, metamateriais mecânicos reprogramados.
Origami não rígido são estruturas tridimensionais que exibem deformação elástica não rígida dos painéis entre as dobras durante a implantação.
Um exemplo de tal variação de origami é o padrão Cresling mencionado anteriormente, que foi usado com sucesso para criar estruturas com multiestabilidade personalizável, rigidez, deformação, amolecimento / endurecimento e / ou rigidez quase zero.
Resultados da pesquisa
Inspirados pela arte antiga, os cientistas decidiram usar o origami de Kresling para projetar um cluster de interruptores binários mecânicos que podem ser forçados a alternar entre dois estados estáticos diferentes usando uma única entrada de excitação harmônica controlada aplicada à base do interruptor.
Como visto em 1b , o fole é preso em uma extremidade e está sujeito a uma carga externa na direção x na outra extremidade livre. Devido a isso, ele sofre deflexão e rotação simultâneas ao longo e ao redor do eixo x. A energia acumulada durante a deformação do fole é liberada quando a carga externa é removida, fazendo com que o fole volte ao seu formato original.
Simplificando, vemos uma mola de torção de torção, cuja capacidade de restauração depende da forma da função da energia potencial do fole. Este, por sua vez, depende dos parâmetros geométricos (a 0 , b 0 , γ 0 ) do triângulo composto usado para construir o fole, bem como do número total (n) desses triângulos ( 1a ).
Para uma certa combinação de parâmetros geométricos da estrutura, a função de energia potencial do fole tem um único mínimo correspondente a um ponto de equilíbrio estável. Para outras combinações, a função de energia potencial tem dois mínimos, correspondendo a duas configurações estáticas de fole estáveis, cada uma associada a uma altura de equilíbrio diferente ou, alternativamente, deflexão da mola ( 1c ). Este tipo de mola é freqüentemente chamado de biestável (vídeo abaixo).
A imagem 1d mostra os parâmetros geométricos que levam à formação de uma mola biestável e os parâmetros que levam à formação de uma mola monoestável para n = 12.
A mola biestável pode parar em uma de suas posições de equilíbrio na ausência de cargas externas e pode ser ativada para alternar entre elas quando a quantidade adequada de energia estiver disponível. É essa propriedade a base deste estudo, que explora a criação de chaves mecânicas inspiradas em Kresling (KIMS ) com dois estados binários.
Em particular, conforme mostrado em 1c, a chave pode ser ativada para fazer a transição entre seus dois estados, fornecendo energia suficiente para superar a barreira de potencial (∆E). A energia pode ser fornecida na forma de uma atuação quase estática lenta ou pela aplicação de um sinal harmônico à base da chave com uma frequência de excitação próxima à frequência ressonante local da chave em seus vários estados de equilíbrio. Neste estudo, optou-se pela segunda opção, uma vez que a resposta ressonante harmônica em alguns parâmetros é superior à quase estática.
Primeiro, a atuação ressonante requer menos esforço de chaveamento e geralmente é mais rápida. Em segundo lugar, a comutação ressonante é insensível a distúrbios externos que não ressoam com a chave em seus estados locais. Terceiro, uma vez que a função de troca de potencial é geralmente assimétrica em relação ao ponto de equilíbrio instável U0, as características de excitação harmônica necessárias para mudar de S0 para S1 são geralmente diferentes daquelas necessárias para mudar de S1 para S0, resultando na possibilidade de comutação binária seletiva de excitação. ...
Esta configuração KIMS é ideal para criar uma placa de memória mecânica multibits usando vários switches binários com características diferentes na mesma plataforma excitada harmonicamente. A criação de tal dispositivo deve-se à sensibilidade da forma da função da energia potencial do interruptor às mudanças nos parâmetros geométricos dos painéis principais ( 1e ).
Consequentemente, vários KIMS com características de projeto diferentes podem ser colocados na mesma plataforma e excitados para a transição de um estado para outro individualmente ou em combinação usando diferentes conjuntos de parâmetros de excitação.
Durante a prova prática, foi criado um switch de papel com densidade de 180 g / m 2.com parâmetros geométricos: γ 0 = 26,5 °; b 0 / a 0 = 1,68; a 0 = 40 mm en = 12. São esses parâmetros, a julgar pelos cálculos ( 1d ), e levam ao fato de que a mola resultante será biestável. Os cálculos foram realizados utilizando um modelo simplificado da treliça axial (estrutura das hastes) do fole.
Utilizando um laser, linhas perfuradas ( 1a ) foram feitas em uma folha de papel , que são os locais de dobra. Em seguida, dobras foram feitas ao longo das bordas b 0 (curvado para fora) e γ 0 (curvado para dentro), e as extremidades distais foram firmemente conectadas. As superfícies superior e inferior do switch foram reforçadas com polígonos de acrílico.
A curva de força restauradora da chave foi obtida experimentalmente por meio de ensaios de compressão e tração realizados em uma máquina de ensaio universal com uma configuração especial que permite a rotação da base durante os ensaios ( 1f ).
As extremidades do polígono da chave de acrílico foram rigidamente fixadas e um deslocamento controlado foi aplicado ao polígono superior a uma taxa predeterminada de 0,1 mm / s. Os deslocamentos de tração e compressão foram aplicados ciclicamente e limitados a 13 mm. Imediatamente antes do teste real do dispositivo, o disjuntor é configurado executando dez desses ciclos de carga antes que a força de restauração seja registrada pela célula de carga de 50N. A 1gmostra a curva da força restauradora da chave obtida experimentalmente.
Em seguida, integrando a força de restauração média da chave ao longo da faixa de operação, a função de energia potencial ( 1h ) foi calculada . Os mínimos na função de energia potencial são equilíbrios estáticos associados a dois estados de comutação (S0 e S1). Para esta configuração particular, S0 e S1 surgem nas alturas de implantação u = 48 mm e 58,5 mm, respectivamente. A função de energia potencial é claramente assimétrica com diferentes barreiras de energia ∆E 0 no ponto S0 e ∆E 1 no ponto S1.
As chaves foram colocadas em um agitador eletrodinâmico que fornece excitação controlada da base na direção axial. Em resposta à excitação, a superfície superior da chave oscila verticalmente. A posição da superfície superior da chave em relação à base foi medida com um vibrômetro a laser ( 2a ).
Imagem # 2
Verificou-se que a frequência ressonante local da chave para seus dois estados é 11,8 Hz para S0 e 9,7 Hz para S1. Para iniciar a transição entre os dois estados, ou seja, saída do poço de potencial * , uma varredura de frequência linear bidirecional muito lenta (0,05 Hz / s) foi realizada em torno das frequências identificadas com uma aceleração de base de 13 ms -2... Especificamente, o KIMS foi inicialmente localizado em S0 e a varredura de frequência incremental foi iniciada em 6 Hz.
Poço de potencial * - uma área onde existe um mínimo local da energia potencial de uma partícula.Como pode ser visto em 2b , quando a frequência de acionamento atinge cerca de 7,8 Hz, a chave sai do poço de potencial S0 e entra no poço de potencial S1. A chave continuou a permanecer em S1 conforme a frequência aumentava ainda mais.
A chave foi então ajustada para S0 novamente, mas desta vez uma varredura para baixo foi iniciada em 16 Hz. Nesse caso, quando a frequência se aproxima de 8,8 Hz, a chave sai de S0 e entra e permanece no poço de potencial S1.
O estado S0 tem uma banda de ativação de 1 Hz [7,8, 8,8] com uma aceleração de 13 ms -2 e S1 - 6 ... 7,7 Hz ( 2s ). Disto se segue que o KIMS pode alternar seletivamente entre os dois estados devido à excitação harmônica da base de mesma magnitude, mas frequência diferente.
A largura de banda de chaveamento do KIMS tem uma dependência complexa da forma de sua função de energia potencial, características de amortecimento e parâmetros de excitação harmônica (frequência e magnitude). Além disso, devido ao amolecimento do comportamento não linear do interruptor, a largura de banda de ativação não inclui necessariamente a frequência ressonante linear. Assim, é importante que um mapa de ativação do switch seja criado para cada KIMS individualmente. Este mapa é usado para caracterizar a frequência e magnitude da excitação, que resulta na mudança de um estado para outro e vice-versa.
Esse mapa pode ser criado experimentalmente por varredura de frequência em diferentes níveis de excitação, mas esse processo é muito trabalhoso. Portanto, os cientistas decidiram, neste estágio, prosseguir com a modelagem da chave usando a função de energia potencial determinada durante os experimentos ( 1h ).
O modelo assume que o comportamento dinâmico da chave pode ser bem aproximado pela dinâmica de um oscilador biestável Helmholtz - Duffing assimétrico, cuja equação de movimento pode ser expressa da seguinte forma:
onde u é o desvio da borda móvel do polígono acrílico em relação ao fixo; m é a massa efetiva do switch; c - coeficiente de amortecimento viscoso, determinado experimentalmente; umai s - coeficientes biestáveis da força restauradora; a be Ω - valor base e frequência de aceleração.
A principal tarefa da modelagem é usar essa fórmula para estabelecer combinações de a be Ω, que permitem alternar entre dois estados diferentes.
Os cientistas observam que as frequências de excitação críticas nas quais um oscilador biestável vai de um estado para outro podem ser aproximadas por duas frequências de bifurcação * : bifurcação de duplicação de período (PD) e bifurcação de dobra cíclica (CF).
Bifurcação * - uma mudança qualitativa no sistema, alterando os parâmetros dos quais ele depende.Usando a aproximação, as curvas de resposta em frequência do KIMS foram plotadas em dois de seus estados. O gráfico 2e mostra as curvas de resposta de frequência da chave em S0 para dois níveis de aceleração de linha de base diferentes.
Em uma aceleração de linha de base de 5ms -2 , a curva AFC mostra um leve amolecimento, mas sem instabilidade ou bifurcações. Assim, a chave permanece no estado S0, não importa como a frequência muda.
No entanto, quando a aceleração básica é aumentada para 13 ms -2 , a estabilidade é degradada pela bifurcação PD conforme a frequência de transmissão diminui.
O mesmo circuito foi utilizado para obter as curvas de resposta em frequência da chave em S1 ( 2f ). Na aceleração de 5ms-2 a imagem observada permanece a mesma. No entanto, à medida que a aceleração básica aumenta para 10 ms -2 , aparecem as bifurcações PD e CF. A excitação da chave em qualquer frequência entre essas duas bifurcações resulta em uma mudança de S1 para S0.
Os dados de simulação sugerem que existem vastas áreas no mapa de ativação em que cada estado pode ser ativado de uma maneira única. Isso permite a comutação seletiva entre os dois estados, dependendo da frequência e magnitude do disparo. Você também pode ver que há uma área onde os dois estados podem ser alternados ao mesmo tempo.
Imagem No. 3
Uma combinação de vários KIMS pode ser usada para criar uma memória mecânica de vários bits. Variando a geometria do interruptor de modo que a forma da função de energia potencial de quaisquer dois interruptores seja suficientemente diferente, é possível projetar a largura de banda de ativação dos interruptores de forma que não se sobreponham. Como resultado, cada chave terá parâmetros de inversor exclusivos.
Para demonstrar esta técnica, foi criada uma placa de 2 bits com base em duas chaves com diferentes características de potencial ( 3a ): bit 1 - γ 0 = 28 °; b 0 / a 0 = 1,5; a 0 = 40 mm e n = 12; bit 2 - γ 0 = 27 °; b 0 / a 0= 1,7; a 0 = 40 mm en = 12.
Como cada bit tem dois estados, um total de quatro estados diferentes S00, S01, S10 e S11 ( 3b ) podem ser obtidos . Os números após S indicam o valor das chaves esquerda (bit 1) e direita (bit 2).
O comportamento de um switch de 2 bits é mostrado no vídeo abaixo:
Com base neste dispositivo, você também pode criar um cluster de switches, que pode ser a base de cartões de memória mecânica de vários bits.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você leia o relatório de cientistas e materiais adicionais a ele.
Epílogo
Quase nenhum dos criadores do origami poderia ter imaginado como sua criação seria usada no mundo moderno. Por um lado, isso fala de um grande número de elementos complexos escondidos em figuras de papel comuns; por outro, que a ciência moderna é capaz de usar esses elementos para criar algo completamente novo.
Neste trabalho, os cientistas puderam usar a geometria do origami de Cresling para criar uma chave mecânica simples, capaz de estar em dois estados diferentes, dependendo dos parâmetros de entrada. Isso pode ser comparado a 0 e 1, que são as unidades clássicas de informação.
Os dispositivos resultantes foram combinados em um sistema de memória mecânica capaz de armazenar 2 bits. Sabendo que uma letra ocupa 8 bits (1 byte), surge a pergunta - quantos origami semelhantes serão necessários para escrever "Guerra e Paz", por exemplo.
Os cientistas estão bem cientes do ceticismo que seu desenvolvimento pode gerar. Porém, segundo eles próprios, esta pesquisa é uma exploração no campo da memória mecânica. Além disso, o origami usado nos experimentos não deve ser grande, suas dimensões podem ser reduzidas significativamente sem deteriorar suas propriedades.
Seja como for, este trabalho não pode ser chamado de ordinário, trivial ou enfadonho. A ciência nem sempre é usada para desenvolver algo específico, e os cientistas nem sempre sabem inicialmente o que estão criando. Afinal, a maioria das invenções e descobertas foi resultado de uma pergunta simples - e se?
Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham um ótimo final de semana galera! :)
Um pouco de publicidade
Obrigado por ficar com a gente. Você gosta de nossos artigos? Quer ver um conteúdo mais interessante? Ajude-nos fazendo um pedido ou recomendando a amigos VPS em nuvem para desenvolvedores a partir de US $ 4,99 , um análogo exclusivo de servidores básicos que inventamos para você: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 núcleos) 10 GB DDR4 480 GB SSD 1 Gbps de $ 19 ou como dividir o servidor corretamente? (opções disponíveis com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40 GB DDR4).
O Dell R730xd 2x é mais barato no data center Equinix Tier IV em Amsterdã? Apenas temos 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV a partir de US $ 199 na Holanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - a partir de $ 99 Leia sobre como construir a infraestrutura do prédio. classe com servidores Dell R730xd E5-2650 v4 a um custo de 9.000 euros por um centavo?