"Blade Runner", "Air Prison", "Heavy Rain" - apa kesamaan yang dimiliki oleh perwakilan budaya massa ini? Secara keseluruhan, pada tingkat tertentu, ada seni melipat kertas Jepang kuno - origami. Dalam film, game, dan kehidupan nyata, origami sering digunakan sebagai simbol perasaan tertentu, semacam kenangan, atau semacam pesan. Ini lebih merupakan komponen emosional origami, tetapi dari sudut pandang sains, banyak aspek menarik dari berbagai arah disembunyikan dalam gambar kertas: geometri, matematika dan bahkan mekanika. Hari ini kita melihat sebuah studi di mana para ilmuwan dari American Institute of Physics membuat perangkat penyimpanan data dengan melipat / membuka gambar origami. Bagaimana tepatnya cara kerja kartu memori kertas,prinsip apa yang diterapkan di dalamnya dan berapa banyak data yang dapat disimpan oleh perangkat semacam itu? Kami akan menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.
Sulit untuk mengatakan dengan tepat kapan origami berasal. Tetapi kita tahu dengan pasti bahwa tidak lebih awal dari tahun 105 A.D. Pada tahun inilah di Cina Tsai Lun menemukan kertas. Tentu sampai saat ini kertas sudah ada, tapi tidak terbuat dari kayu, melainkan dari bambu atau sutra. Pilihan pertama tidaklah mudah, dan yang kedua sangat mahal. Tsai Long ditugaskan untuk membuat resep baru untuk kertas yang ringan, murah, dan mudah dibuat. Bukan tugas yang mudah, tetapi Tsai Lun beralih ke sumber inspirasi paling populer - alam. Untuk waktu yang lama dia mengamati tawon, yang tempat tinggalnya terbuat dari kayu dan serat tumbuhan. Tsai Lun melakukan banyak eksperimen di mana dia menggunakan berbagai bahan untuk kertas masa depan (kulit kayu, abu dan bahkan jaring ikan) dicampur dengan air.Massa yang dihasilkan diletakkan dalam bentuk khusus dan dikeringkan di bawah sinar matahari. Hasil dari karya kolosal ini adalah subjek yang biasa-biasa saja bagi orang modern - kertas.
Pada tahun 2001, sebuah taman yang dinamai Tsai Lun dibuka di Leiyang, Cina.
Penyebaran kertas ke negara lain tidak terjadi secara instan, hanya pada awal abad ke-7 resepnya mencapai Korea dan Jepang, dan kertas baru mencapai Eropa pada abad ke 11-12.
Kegunaan yang paling jelas untuk kertas, tentu saja, dalam manuskrip dan percetakan. Namun, orang Jepang menemukan aplikasi yang lebih elegan untuk itu - origami, mis. melipat gambar kertas.
Tamasya singkat ke dunia origami dan teknik.
Ada banyak sekali pilihan origami, serta teknik pembuatannya: origami sederhana, kusudama (modular), lipat basah, origami pola, kirigami, dll. ( Panduan Penting Origami )
Dari sudut pandang sains, origami adalah metamaterial mekanis yang propertinya ditentukan oleh geometrinya, bukan properti material yang membuatnya. Telah dibuktikan selama beberapa waktu bahwa struktur serba guna 3D yang dapat diterapkan dengan properti unik dapat dibuat menggunakan pola origami berulang.
Gambar No. 1
Pada gambar 1bcontoh struktur seperti itu ditunjukkan - bellow yang dapat diterapkan, dibuat dari selembar kertas sesuai dengan skema di 1a . Dari opsi origami yang tersedia, para ilmuwan telah mengidentifikasi opsi yang mengimplementasikan mosaik panel segitiga identik yang disusun dalam simetri siklik, yang dikenal sebagai origami Cresling.
Penting untuk dicatat bahwa struktur berbasis origami terdiri dari dua jenis: kaku dan tidak kaku.
Origami kaku adalah struktur tiga dimensi di mana hanya lipatan antara panel yang berubah bentuk selama pembukaan.
Contoh utama origami keras adalah Miura-ori, digunakan untuk membuat metamaterial mekanis dengan rasio Poisson negatif. Materi ini memiliki berbagai aplikasi: eksplorasi ruang angkasa, elektronik yang dapat diubah bentuk, otot buatan dan, tentu saja, metamaterial mekanis yang diprogram ulang.
Origami non-kaku adalah struktur tiga dimensi yang menunjukkan deformasi elastis non-kaku pada panel di antara lipatan selama pemasangan.
Contoh variasi origami tersebut adalah pola Cresling yang disebutkan sebelumnya, yang telah berhasil digunakan untuk membuat struktur dengan multistabilitas yang dapat disesuaikan, kekakuan, deformasi, pelunakan / pengerasan, dan / atau kekakuan hampir nol.
Hasil penelitian
Terinspirasi oleh seni kuno, para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan origami Kresling untuk merancang sekelompok sakelar biner mekanis yang dapat dipaksa untuk beralih di antara dua keadaan statis yang berbeda menggunakan masukan eksitasi harmonik terkontrol tunggal yang diterapkan ke dasar sakelar.
Seperti terlihat pada 1b , bellow diamankan di satu ujung dan dikenakan beban eksternal dalam arah x di ujung bebas lainnya. Karena itu, ia mengalami defleksi dan rotasi simultan di sepanjang dan di sekitar sumbu x. Energi yang terakumulasi selama deformasi bellow dilepaskan ketika beban eksternal dilepas, menyebabkan bellow kembali ke bentuk aslinya.
Sederhananya, kita melihat pegas torsi torsi, kemampuan pemulihannya tergantung pada bentuk fungsi energi potensial bellow. Ini, pada gilirannya, bergantung pada parameter geometris (a 0 , b 0 , γ 0 ) dari segitiga komposit yang digunakan untuk membuat bellow, serta jumlah total (n) dari segitiga ini ( 1a ).
Untuk kombinasi parameter geometris tertentu dari struktur, fungsi energi potensial bellow memiliki satu minimum yang sesuai dengan satu titik kesetimbangan stabil. Untuk kombinasi lain, fungsi energi potensial memiliki dua minimum, sesuai dengan dua konfigurasi bellow statis yang stabil, masing-masing terkait dengan ketinggian kesetimbangan yang berbeda atau, sebagai alternatif, defleksi pegas ( 1c ). Jenis pegas ini sering disebut bistable (video di bawah).
Gambar 1d menunjukkan parameter geometris yang mengarah ke pembentukan pegas bistable dan parameter yang mengarah ke pembentukan pegas monostabil untuk n = 12.
Pegas bistable dapat berhenti di salah satu posisi ekuilibriumnya jika tidak ada beban eksternal dan dapat diaktifkan untuk beralih di antara beban tersebut ketika jumlah energi yang tepat tersedia. Properti inilah yang menjadi dasar dari studi ini, yang mengeksplorasi pembuatan sakelar mekanis yang terinspirasi Kresling (KIMS ) dengan dua status biner.
Secara khusus, seperti yang ditunjukkan pada 1c, sakelar dapat diaktifkan untuk transisi antara dua keadaannya dengan memasok energi yang cukup untuk mengatasi penghalang potensial (∆E). Energi dapat dipasok sebagai aktuasi kuasi-statis lambat atau dengan menerapkan sinyal harmonik ke dasar sakelar dengan frekuensi eksitasi yang mendekati frekuensi resonansi lokal sakelar dalam berbagai keadaan kesetimbangannya. Dalam studi ini, diputuskan untuk menggunakan opsi kedua, karena respon resonansi harmonik pada beberapa parameter lebih unggul daripada yang semu statis.
Pertama, aktuasi resonansi membutuhkan lebih sedikit upaya switching dan umumnya lebih cepat. Kedua, sakelar resonansi tidak sensitif terhadap gangguan eksternal yang tidak beresonansi dengan sakelar di status lokalnya. Ketiga, karena fungsi sakelar potensial biasanya asimetris dengan titik ekuilibrium tidak stabil U0, karakteristik eksitasi harmonik yang diperlukan untuk beralih dari S0 ke S1 biasanya berbeda dari yang diperlukan untuk beralih dari S1 ke S0, sehingga memungkinkan peralihan biner selektif eksitasi. ...
Konfigurasi KIMS ini ideal untuk membuat papan memori mekanis multi-bit menggunakan beberapa sakelar biner dengan karakteristik berbeda pada platform yang sama secara harmonis. Pembuatan perangkat semacam itu disebabkan kepekaan bentuk fungsi energi potensial sakelar terhadap perubahan parameter geometris panel utama ( 1e ).
Akibatnya, beberapa KIMS dengan karakteristik desain yang berbeda dapat ditempatkan pada platform yang sama dan bersemangat untuk bertransisi dari satu kondisi ke kondisi lain secara individual atau dalam kombinasi menggunakan set parameter eksitasi yang berbeda.
Selama tahap pengujian praktis, sakelar dibuat dari kertas dengan kepadatan 180 g / m2 .dengan parameter geometris: γ 0 = 26,5 °; b 0 / a 0 = 1,68; a 0 = 40 mm dan n = 12. Ini adalah parameter ini, dilihat dari perhitungan ( 1d ), dan mengarah pada fakta bahwa pegas yang dihasilkan akan menjadi bistable. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan model sederhana dari rangka aksial (struktur batang) dari bellow.
Dengan menggunakan laser, dibuat garis-garis berlubang ( 1a ) di atas selembar kertas yang merupakan tempat pelipatan. Kemudian lipatan dibuat di sepanjang tepi b 0 (melengkung ke luar) dan γ 0 (melengkung ke dalam), dan ujung distal disambungkan dengan erat. Permukaan atas dan bawah sakelar telah diperkuat dengan poligon akrilik.
Kurva gaya pemulihan dari sakelar diperoleh secara eksperimental melalui uji kompresi dan tegangan yang dilakukan pada mesin uji universal dengan pengaturan khusus yang memungkinkan alas diputar selama pengujian ( 1f ).
Ujung poligon sakelar akrilik dipasang dengan kokoh, dan perpindahan terkontrol diterapkan ke poligon atas dengan kecepatan yang telah ditentukan sebelumnya sebesar 0,1 mm / s. Perpindahan tarik dan tekan diterapkan secara siklis dan dibatasi hingga 13 mm. Segera sebelum pengujian perangkat yang sebenarnya, pemutus dikonfigurasi dengan melakukan sepuluh siklus beban sebelum gaya pemulihan dicatat oleh sel beban 50N. Pada 1gmenunjukkan kurva gaya pemulihan dari sakelar yang diperoleh secara eksperimental.
Kemudian, dengan mengintegrasikan gaya pemulihan rata-rata sakelar selama rentang operasi, fungsi energi potensial ( 1h ) dihitung . Minima dalam fungsi energi potensial adalah kesetimbangan statis yang terkait dengan dua status sakelar (S0 dan S1). Untuk konfigurasi khusus ini, S0 dan S1 muncul pada ketinggian penerapan, masing-masing u = 48 mm dan 58,5 mm. Fungsi energi potensial jelas asimetris dengan hambatan energi yang berbeda ∆E 0 pada titik S0 dan ∆E 1 pada titik S1.
Sakelar ditempatkan pada pengocok elektrodinamik yang memberikan eksitasi terkontrol dari basis dalam arah aksial. Menanggapi eksitasi, permukaan atas sakelar berosilasi secara vertikal. Posisi permukaan atas sakelar relatif terhadap alas diukur dengan vibrometer laser ( 2a ).
Gambar # 2
Ditemukan bahwa frekuensi resonansi lokal dari sakelar untuk dua statusnya adalah 11,8 Hz untuk S0 dan 9,7 Hz untuk S1. Untuk memulai transisi antara dua keadaan, yaitu, keluar dari sumur potensial * , sapuan frekuensi linier dua arah yang sangat lambat (0,05 Hz / s) dilakukan di sekitar frekuensi yang diidentifikasi dengan percepatan dasar 13 ms -2... Secara khusus, KIMS awalnya terletak di S0, dan peningkatan frekuensi menyapu dimulai pada 6 Hz.
Sumur potensial * - area di mana terdapat energi potensial minimum lokal dari sebuah partikel.Seperti dapat dilihat pada 2b , ketika frekuensi drive mencapai sekitar 7,8 Hz, sakelar keluar dari sumur potensial S0 dan masuk ke sumur potensial S1. Saklar tetap pada S1 karena frekuensi meningkat lebih jauh.
Sakelar kemudian disetel ke S0 lagi, tetapi kali ini sapuan ke bawah dimulai pada 16 Hz. Dalam hal ini, ketika frekuensi mendekati 8,8 Hz, sakelar keluar dari S0 dan masuk dan tetap di sumur potensial S1.
Status S0 memiliki pita aktivasi 1 Hz [7,8, 8,8] dengan akselerasi 13 ms -2 , dan S1 - 6 ... 7,7 Hz ( 2s ). Dari sini dapat disimpulkan bahwa KIMS dapat secara selektif beralih di antara dua keadaan karena eksitasi harmonik dari basis dengan besaran yang sama tetapi frekuensi yang berbeda.
Bandwidth switching KIMS memiliki ketergantungan yang kompleks pada bentuk fungsi energi potensial, karakteristik redaman dan parameter eksitasi harmonik (frekuensi dan besaran). Selain itu, karena perilaku sakelar non-linier yang melunak, bandwidth aktivasi tidak harus mencakup frekuensi resonansi linier. Karenanya, peta aktivasi sakelar harus dibuat untuk setiap KIMS secara individual. Peta ini digunakan untuk mengkarakterisasi frekuensi dan besarnya eksitasi, yang menghasilkan perpindahan dari satu keadaan ke keadaan lain dan sebaliknya.
Peta semacam itu dapat dibuat secara eksperimental dengan menyapu frekuensi pada berbagai tingkat eksitasi, tetapi proses ini sangat melelahkan. Oleh karena itu, para ilmuwan memutuskan pada tahap ini untuk beralih ke pemodelan sakelar menggunakan fungsi energi potensial yang ditentukan selama percobaan ( 1 jam ).
Model tersebut mengasumsikan bahwa perilaku dinamis sakelar dapat didekati dengan baik oleh dinamika osilator Helmholtz - Duffing bistable asimetris, persamaan geraknya dapat dinyatakan sebagai berikut: di
mana u adalah deviasi tepi bergerak poligon akrilik relatif terhadap yang tetap; m adalah massa efektif sakelar; c - koefisien redaman kental, ditentukan secara eksperimental; Sebuahi s - koefisien bistable dari gaya pemulihan; a b dan Ω - nilai dasar dan frekuensi percepatan.
Tugas utama pemodelan adalah menggunakan rumus ini untuk menetapkan kombinasi a b dan Ω, yang memungkinkan peralihan antara dua keadaan berbeda.
Para ilmuwan mencatat bahwa frekuensi eksitasi kritis di mana osilator bistable berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain dapat didekati dengan dua frekuensi percabangan * : periode dua kali lipat bifurkasi (PD) dan bifurkasi lipat siklik (CF).
Bifurcation * - perubahan kualitatif dalam sistem dengan mengubah parameter yang bergantung padanya.Menggunakan pendekatan, kurva respons frekuensi KIMS diplot dalam dua statusnya. Grafik 2e menunjukkan kurva respons frekuensi sakelar pada S0 untuk dua tingkat percepatan baseline yang berbeda.
Pada akselerasi baseline 5ms -2 , kurva AFC menunjukkan sedikit pelunakan, tetapi tidak ada ketidakstabilan atau percabangan. Dengan demikian, sakelar tetap dalam status S0, tidak peduli bagaimana frekuensinya berubah.
Namun, ketika akselerasi basis dinaikkan menjadi 13 ms -2 , stabilitas menurun karena percabangan PD saat frekuensi penggerak menurun.
Dengan cara yang sama, kurva respons frekuensi dari sakelar di S1 ( 2f ) diperoleh . Pada akselerasi 5ms-2 gambar yang diamati tetap sama. Namun, saat percepatan dasar meningkat menjadi 10 ms -2 , percabangan PD dan CF akan muncul. Eksitasi sakelar pada frekuensi apa pun antara dua percabangan ini menghasilkan sakelar dari S1 ke S0.
Data simulasi menunjukkan bahwa ada area yang luas di peta aktivasi di mana setiap status dapat diaktifkan dengan cara yang unik. Ini memungkinkan peralihan selektif antara dua keadaan tergantung pada frekuensi dan besarnya pemicu. Anda juga dapat melihat bahwa ada area di mana kedua negara bagian dapat beralih pada saat yang bersamaan.
Gambar No. 3
Kombinasi beberapa KIMS dapat digunakan untuk membuat memori mekanis dari beberapa bit. Dengan mengubah geometri sakelar sehingga bentuk fungsi energi potensial dari dua sakelar mana pun cukup berbeda, dimungkinkan untuk merancang lebar pita aktivasi sakelar agar tidak tumpang tindih. Akibatnya, setiap sakelar akan memiliki parameter penggerak yang unik.
Untuk mendemonstrasikan teknik ini, papan 2-bit dibuat berdasarkan dua sakelar dengan karakteristik potensial yang berbeda ( 3a ): bit 1 - γ 0 = 28 °; b 0 / a 0 = 1,5; a 0 = 40 mm dan n = 12; bit 2 - γ 0 = 27 °; b 0 / a 0= 1,7; a 0 = 40 mm dan n = 12.
Karena setiap bit memiliki dua status, total empat status berbeda S00, S01, S10 dan S11 ( 3b ) dapat dicapai . Angka-angka setelah S menunjukkan nilai sakelar kiri (bit 1) dan kanan (bit 2).
Perilaku sakelar 2-bit ditunjukkan pada video di bawah ini:
Atas dasar perangkat ini, Anda juga dapat membuat sekelompok sakelar, yang dapat menjadi dasar kartu memori mekanis multi-bit.
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya sarankan agar Anda melihat laporan ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Hampir tidak ada pencipta origami yang bisa membayangkan bagaimana ciptaan mereka akan digunakan di dunia modern. Di satu sisi, ini berbicara tentang sejumlah besar elemen kompleks yang tersembunyi dalam gambar kertas biasa; di sisi lain, ilmu pengetahuan modern mampu menggunakan unsur-unsur ini untuk menciptakan sesuatu yang benar-benar baru.
Dalam pekerjaan ini, para ilmuwan dapat menggunakan geometri origami Cresling untuk membuat sakelar mekanis sederhana, yang mampu berada dalam dua keadaan berbeda, tergantung pada parameter masukan. Ini dapat dibandingkan dengan 0 dan 1, yang merupakan unit informasi klasik.
Perangkat yang dihasilkan digabungkan menjadi sistem memori mekanis yang mampu menyimpan 2 bit. Mengetahui bahwa satu huruf menempati 8 bit (1 byte), muncul pertanyaan - berapa banyak origami serupa yang dibutuhkan untuk menulis "War and Peace", misalnya.
Para ilmuwan sangat menyadari skeptisisme yang dapat ditimbulkan oleh perkembangan mereka. Namun menurut mereka sendiri, penelitian ini merupakan eksplorasi di bidang memori mekanis. Selain itu, origami yang digunakan dalam eksperimen tidak boleh besar; dimensinya dapat dikurangi secara signifikan tanpa merusak propertinya.
Bagaimanapun juga, pekerjaan ini tidak bisa disebut biasa-biasa saja, sepele atau membosankan. Sains tidak selalu digunakan untuk mengembangkan sesuatu yang spesifik, dan para ilmuwan pada awalnya tidak selalu tahu apa yang mereka ciptakan. Bagaimanapun, sebagian besar penemuan dan penemuan adalah hasil dari pertanyaan sederhana - bagaimana jika?
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga akhir pekan Anda menyenangkan, guys! :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan memesan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?