ما وراء الأوريغامي: خوارزمية جديدة تصمم هياكل شبكية ثلاثية الأبعاد قابلة للتوسيع

الملخص:

من المرجح أنك شاهدت كرة هوبرمان - وهي عبارة عن شبكة ديناميكية من القضبان المفصلية التي يمكن أن تنهار أو تتوسع بقوة يدوية قليلة. مستوحاة من فن الأوريجامي وقطع الورق الياباني القديم، قام فريق بحث من جامعة هارفارد في الولايات المتحدة وجامعة طوكيو في اليابان بتطوير سلسلة من الهياكل القابلة للتوسيع.

وهي تشبه كرات هوبرمان، وتتصل أيضًا بواسطة قضبان ومفاصل مقصية. يسميها الباحثون "سطح مقص قابل للطي وشبكة مركبة مستوية"، ولكن قد يكون أكثر برودة وأسهل في الكتابة إذا كان يسمى "Hobegami".

في هذه الدراسة، يمكن طي شبكة مركبة مستوية الشكل على شكل أسطوانة لتصبح أسطوانة. وقال كبير الباحثين لاكشمي نارايانان ماهاديفان، أستاذ الرياضيات التطبيقية وعلم الأحياء العضوي والفيزياء بجامعة هارفارد: "يُظهر الأوريجامي كيف تشفر التجاعيد الشكل، ويُظهر الكيريجامي كيف تطلق القطع الحركة وتعطي وظيفة البنية". "تقدم هذه الدراسة تكاملًا. سؤال: ما الذي يمكن تحقيقه عندما لا تعد وحدات البناء الأساسية عبارة عن تجعدات أو قطع، بل اتصالات؟ "

بالنسبة للأشياء والأدوات والهياكل والمركبات، تعد قابلية الطي ميزة تصميمية قيمة عندما يكون الحجم، وليس الكتلة فقط، هو العامل المقيد. سواء كنت تطير بغواصة أو طائرة شحن أو مركبة فضائية لإعادة إمداد المحطة الفضائية، إذا كنت تستطيع تحمل تكاليف الوقود للوزن الزائد، فبدلاً من تقليل عدد العناصر التي تحملها واختيار العناصر غير القابلة للطي، يمكنك تحميل المزيد من الأثاث القابل للطي والخوذات والغرسات الجراحية والموائل والأقمار الصناعية المكعبة والبدلات الفضائية وحلقات الطيران وأجنحة الطيران، وبالتالي تقليل عدد وسائل النقل باهظة الثمن والمحفوفة بالمخاطر.

لجعل قابلية الطي سمة أساسية لتصميم الأشياء، ابتكر فريق تويوناجا خوارزمية تصميم تحليلية يمكنها بناء أسطح مقصية معقدة تدريجيًا. يشرح تويوناجا: "يمكن فهم الشكل العام من خلال قواعد محلية بحتة، والتي يمكن أن تشكل البنية الكاملة بناءً على سلسلة من القرارات الهندسية البسيطة."

يهدف نهج "قطعة تلو الأخرى" إلى بناء وصلة تلو الأخرى على وجه الدقة، بدءًا من اتصال واحد والعمل إلى أعلى لبناء الكل، بدلاً من البدء من الشكل الكامل ثم العمل إلى الوراء لاشتقاق المفاصل المنفصلة داخله. تتطلب العملية برمتها بعض معلمات التصميم فقط.

باستخدام هذه الطريقة، قام فريق تويوناجا، بالتعاون مع كولتر جيه. ديكر وروبرت جيه. وود من جامعة هارفارد، وسيري نيشيموتو وتوموهيرو تيت من جامعة طوكيو، بتصميم وتصنيع هياكل في مجموعة متنوعة من الأشكال، بما في ذلك الهياكل الحلزونية، والتورسات، و"صناديق البيض".

قد لا تتطابق هذه الهياكل الديناميكية تمامًا مع الأوصاف المفروضة في ورقة فريق البحث، ولكن الشبكة المركبة المستوية في جامعة هارفارد لديها ميزة إضافية أخرى لم يتم ذكرها في الورقة: الجماليات. بفضل أشكالها الهندسية الأنيقة، قد تلهم هياكل "Hobegami" المزيد من المصممين لدمج قابلية الطي في تصميمات المنتجات. بعد كل شيء، من سيختار عنصرًا ثابتًا إذا كان بإمكانك اختيار منتج يتغير شكله ديناميكيًا مثل إصدار منخفض التقنية من Transformers فوق صندوق أو كرسي أو طاولة أو خيمة أو أي عنصر آخر؟