机械工程研究员朱毅(Yi Zhu)拿着一种折纸设计，它可以折叠成可以放进口袋的东西，也可以扩展成更长的东西。资料来源:Brenda Ahearn/密歇根大学工程、通信和营销学院
密歇根大学的工程师们首次证明，桥梁和庇护所等承重结构可以用折纸模块来建造。这些多用途的部件能够紧凑地折叠并变形成各种形状。
这是一项进步，可以使社区迅速重建在自然灾害中受损或被摧毁的设施和系统，或者允许在以前被认为不切实际的地方进行建设，包括外层空间。该技术还可以用于需要快速建造和拆卸的结构，例如音乐会场地和活动舞台。
折纸构造的进步
土木与环境工程和机械工程副教授、《自然通讯》杂志的通讯作者Evgueni Filipov说:“由于具有适应性和承载能力，我们的系统可以建造出可用于现代建筑的结构。”
折纸艺术形式的原理允许将较大的材料折叠并折叠到较小的空间中。随着模块化建筑系统获得更广泛的接受，可以轻松存储和运输的组件的应用也在增长。
左起，机械工程研究员朱毅与土木与环境工程和机械工程副教授叶夫格尼·菲利波夫在乔治·g·布朗实验室大楼的实验室里工作。Filipov和Zhu正在运用折纸的原理，为大型、承载、适应性强的结构创造模块化和均匀厚折纸(MUTO)。这些材料可以用来建造临时结构，如舞台或音乐会场地，也可以用来建造建筑物或桥梁等结构，以应对自然灾害。资料来源:Brenda Ahearn/密歇根大学工程、通信和营销学院
研究人员多年来一直在努力创造具有必要重量容量的折纸系统，同时保持快速部署和重新配置的能力。密歇根大学的工程师们发明了一种折纸系统来解决这个问题。系统可以创建的示例包括:
一个3.3英尺高的柱子可以支撑2.1吨的重量，而它本身的重量刚刚超过16磅，并且有一个ba
占地面积小于1平方英尺。这个包可以从一个1.6英尺宽的立方体展开，展开成不同的结构，包括:一个13英尺长的步行桥，一个6.5英尺高的公交车站，和一个13英尺高的柱子。
折纸设计的新途径
突破的关键在于机械工程研究员、该研究的第一作者朱毅(Yi Zhu)提供的一种不同的设计方法。
“当人们用折纸的概念工作时，他们通常从薄的、被纸折叠的模型开始——假设你的材料像纸一样薄，”朱说。“然而，为了使用折纸建造桥梁和公交车站等常见结构，我们需要数学工具，可以在最初的折纸设计中直接考虑厚度。”
土木与环境工程和机械工程副教授Evgueni Filipov在他的实验室里用一个小模型演示了不同的褶皱和结构。资料来源:Brenda Ahearn/密歇根大学工程、通信和营销学院
为了提高承重能力，许多研究人员试图在不同的地方加厚他们的薄如纸的设计。然而，密歇根大学的研究小组发现，一致性是关键。
菲利波夫说:“发生的情况是，你在这里加了一层厚度，在那里加了另一层厚度，它们就变得不匹配了。”“因此，当负载通过这些组件时，它开始引起弯曲。
“组件厚度的均匀性是关键，也是当前许多折纸系统所缺少的。当你有了这些，再加上适当的锁定装置，重量就可以均匀地转移到整个结构上。”
除了承载巨大的载荷外，这个被称为模块化和均匀厚折纸启发结构的系统还可以调整其形状，成为桥梁、墙壁、地板、柱子和许多其他结构。
参考文献:Yi Zhu和Evgueni T. Filipov的“大型模块化和均匀厚折纸启发的适应性和承载结构”，2024年3月15日，《自然通讯》。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 46667 - 0
密歇根大学的研究得到了使用顺序工作折纸多物理模拟器(SWOMPS)的帮助。这是一个模拟器，可以准确地预测大规模折纸系统的行为。该系统由密歇根大学开发，自2020年起向公众开放。
这项研究是由美国国家科学基金会和汽车研究中心资助的。
