文/AIM俐钜创新总经理兼首席创新官 詹长霖

临时结构通常存在设计上的短板，要么可以轻松放置和拆卸，要么可以压缩起来紧凑运输，要么结构坚固却十分笨重，想要在这三点之间找一个平衡，从工程学角度来讲是项不小的挑战。而建筑工地上随处可见的临时板房就不用说了，结构相当稳固，但板材运输、拆卸搭建多有不便。

现在，十分有创意的解决方案来了。来自哈佛大学的科学家团队成功开发出一种米级、多稳态的充气折纸结构，而灵感来源于古老的折纸手艺。

充满想象的用途

这项研究或为大型折纸结构的工程学应用铺平了道路，相关论文于 4 月 22 日发表在《自然》（Nature）上。

这一成果展示了如何有效地利用几何学来实现压力展开折纸结构，且同时实现两种能力配置：一个是紧凑和一个是扩展。如果需要考虑到负载条件和制造方面的挑战，这种设计方法还可以扩展到更大或更小的规模。

由于这种折纸结构是多稳态的，因此它们可以设计成实现不同部署目标的序列，通过引入两个以上不同面的构建模块，进一步扩展其可实现形状的范围。

作为这项研究的补充，研究人员开发了一个能够预测全能量景观的力学模型，这提供了一个有效的工具来指导更多有趣的相关探索。此外，这项研究成果所发明的设计规则，也可以推广到任意折纸多面体上，并结合随机优化算法求解逆设计问题，进而有效计算出能在目标稳定状态之间切换的可展开结构。

把折纸技术整得这么高级有什么用呢？显而易见，以上述能折叠的小帐篷为例，贫困地区和受灾地区紧急避难所的人们十分需要它，这个 “折纸帐篷” 就像一个小房子，相比容易被吹倒、吹翻的自建帐篷，以及繁琐的搭建过程，这种折叠帐篷只需要一个人和一台气泵，充一次气就能快速展开，而且结构稳定，便于大量运输，不需要持续进行充气。灾区物资支援人员充完一个再去充下一个，效率会十分高，快速部署给灾民提供庇护。

研究人员对这种技术还有更多展望，比如可以用作防洪屏障、音乐厅中的可变回音板，甚至是航天器上所需的复杂折叠结构。

在建筑设计领域，这种结构理念可能也是一种新颖的建筑辅助方式，与传统的建筑材料和空间搭配，能够形成一个可变的空间系统，比如下图所展示的会议室和创意建筑，堪称满满的几何美学和艺术感。不过，大跨度结构在部署的阶段需要有更牢固和抗老化的结构，以满足建筑法规的要求。

来自普林斯顿大学土木与环境工程系的专家 Sigrid Adriaenssens 在评论这项研究时表示，这种折纸结构优点多多，例如节省储存空间、运输成本和搭建时间，自动展开锁定，还能确保展开后结构牢靠等特性，值得称赞。

但在大规模投入使用前，还有很多问题需要解决。比如大型物体可能更易受到压缩和拉伸应力以及变形的影响。另外，因为 “铰链” 通常是任何工程设计中最昂贵和最脆弱的元件，所以最小化折痕的数量或将有助于降低制造成本，进一步加强折纸结构。

文章来源：大数据文摘