«Бегущий по лезвию», «Воздушная тюрьма», «Heavy Rain» — что общего между этими представителями массовой культуры? Во всех в той или иной степени присутствует древнее японское искусство по складыванию бумаги — оригами. В кино, играх и в реальной жизни оригами частенько используется в качестве символа определенных чувств, каких-то воспоминаний или своеобразного послания.

Это скорее эмоциональная составляющая оригами, но с точки зрения науки в бумажных фигурках сокрыто множество интересных аспектов из самых разных направлений: геометрия, математика и даже механика. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Американского института физики создали устройство хранения данных за счет складывания/раскладывания фигурок оригами. Как именно работает бумажная карта памяти, какие принципы в ней реализованы и сколько данных может хранить такое устройство? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Когда именно возникло оригами, сказать сложно. Но мы точно знаем, что не ранее 105 года н.э. Именно в этом году в Китае Цай Лунь изобрел бумагу. Конечно, до этого момента бумага уже существовала, но она изготавливалась не из древесины, а из бамбука или шелка. Первый вариант не отличался легкостью, а второй был крайне дорогой.

Цай Луню поручили придумать новый рецепт бумаги, которая будет легкой, дешевой и простой в изготовлении. Задача не из простых, однако Цай Лунь обратился к самому популярному источнику вдохновения — к природе. Он долгое время наблюдал за осами, чьи жилища были сделаны из древесины и растительных волокон. Цай Лунь провел множество опытов, в которых использовал самые разные материалы для будущей бумаги (кора деревьев, зола и даже рыболовные сети), перемешанные с водой. Полученная масса выкладывалась в специальную форму и сушилась на солнце. Результатом этого колоссального труда стал прозаичный для современного человека предмет — бумага.

В 2001 году в городе Лэйян (Китай) был открыт парк, названный в честь Цай Луня.

Распространение бумаги по другим странам не произошло моментально, лишь в начале VII века ее рецепт достиг Кореи и Японии, а до Европы бумага добралась лишь в XI—XII веке.

Самым очевидным применением бумаги, конечно же, является и рукописи и полиграфия. Однако японцы нашли ей и более изящное применение — оригами, т.е. складывание фигурок из бумаги.

Вариантов оригами существует великое множество, как и техник их изготовления: простое оригами, кусудама (модульное), мокрое складывание, паттерн-оригами, киригами и т.д. (Иллюстрированная энциклопедия по оригами)

С точки зрения науки оригами это механический метаматериал, свойства которого определяются его геометрией, а не свойствами материала, из которого он изготовлен. Уже довольно давно было продемонстрировано, что универсальные трехмерные развертываемые структуры с уникальными свойствами могут быть созданы с использованием повторяющихся шаблонов оригами.

Изображение №1

На изображении 1b показан пример такой структуры — развертываемый сильфон, построенный из одного листа бумаги по схеме на 1а. Из имеющихся вариантов оригами ученые выделили вариант, в котором реализована мозаика из одинаковых треугольных панелей, расположенных в циклической симметрии, известной как оригами Креслинга.

Важно отметить, что структуры на базе оригами бывают двух типов: жесткие и нежесткие.

Жесткое оригами это трехмерные структуры, в которых только складки между панелями подвергаются деформации во время развертывания.

Ярким примером жестких оригами является Миура-ори, использованный для создания механических метаматериалов с отрицательным коэффициентом Пуассона. Такой материал имеет широкий спектр применения: изучения космоса, деформируемая электроника, искусственные мышцы и, естественно, перепрограммируемые механические метаматериалы.

Нежесткие оригами это трехмерные структуры, которые демонстрируют нежесткую упругую деформацию панелей между складками во время развертывания.

Примером такого варианта оригами является упомянутый ранее узор Креслинга, который успешно использовался для создания структур с настраиваемой мультистабильностью, жесткостью, деформациями, смягчением/упрочнением и/или с почти нулевой жесткостью.

Результаты исследования

Вдохновившись древним искусством, ученые решили использовать оригами Креслинга для разработки кластера механических бинарных переключателей, которые можно принудительно переключать между двумя разными статическими состояниями, используя один управляемый вход в виде гармонического возбуждения, прилагаемого к основанию переключателя.