嗦完的吸管不要扔,集齊6根可以召喚NASA機器人 | 科學DIY_風聞
把科学带回家-把科学带回家官方账号-专注于孩子的科普教育2019-08-10 14:54
【本文由公眾號“把科學帶回家”提供,ID:steamforkids】
見過一串互不相連的光棍能做這種事嗎——

還可以這樣玩——

這是2015年和2016年的火人節(Burning Man)大會上,藝術家buchananwp製造的成人玩具。
給你仔細看看所有光棍的結構——

Piaji一拍——

好玩不?NASA就用這種設計做了一個機器人出來。我們今天就來學怎麼做。
關鍵概念
張拉整體
材料和操作
6根吸管(或中空木棍)
十來根橡皮筋
剪刀
膠帶紙
戳這裏看二十面體張拉整體制作視頻(@Angela YU)
原理
我們製造的這種好玩的玩具,屬於一類叫做張拉整體(Tensegrity)的建築結構。
張拉整體這個名詞是美國建築師和發明家巴克敏斯特·富勒(Richard Buckminster Fuller)在1961年提出的。對,富勒烯用的就是富勒的名字(雖然富勒烯不是富勒本人發明的)。
巴克敏斯特·富勒和他設計的張拉整體
張拉整體是一種利用材料張力,將互不接觸的剛性物體結合起來的結構。從功能上來看,張拉整體雖然有稜有角,但卻具有彈性,就像氣球一樣。但同時,它們又不像氣球那樣“毫無骨氣”,反而非常穩固,剛柔並濟。

@NASA
張拉整體和用使用壓縮力的傳統建築結構(如拱橋)不同,張拉整體利用柔性材料提供的張力支撐整體。
1968年,美國建築師 Kenneth Snelson 設計的張拉整體裝置 Needle Tower,位於華盛頓的赫希洪博物館和雕塑園。
@wikipedia
2009年10月落成的澳大利亞昆士蘭州布里斯班河上的庫利爾帕橋(Kurilpa Bridge)就是一類張拉整體。
澳大利亞昆士蘭的庫利爾帕橋
1988年首爾奧運會的體操館,以及1996年亞特蘭大奧運會的喬治亞巨蛋(The Georgia Dome)的穹頂也屬於張拉整體流派的。
亞特蘭大奧運會的喬治亞巨蛋
生物也能製造張拉整體。
比如,蜘蛛的網是一種張拉整體結構。
金絲蜘蛛(Nephila Clavipes)的蛛網上有一種用蛛絲鈎織的長方形的硬板,這些板充當了張拉結構中的剛體(如果我們實驗中的棍子),附近的蛛絲則提供了張力。
金絲蜘蛛的網是一種張拉整體
@Skelton, Robert E., and Mauricio C. de Oliveira. Tensegrity systems. Vol. 1. New York: Springer, 2009.
生物體內也有不少張拉整體。最常見的張拉整體,其實就是人體的骨骼。人類的骨骼之間以肌腱、肌肉和韌帶相連,形成了一個個兼具強度和韌性的張拉整體。
@Skelton, Robert E., and Mauricio C. de Oliveira. Tensegrity systems. Vol. 1. New York: Springer, 2009.
細胞內的細胞骨架(cytoskeleton)屬於張拉整體。
真核細胞並不像一個裝滿水不停晃盪的袋子,而具有精細複雜的內部結構。維持細胞形態的,就是由蛋白纖維構成的細胞骨架(見上圖)。
因為細胞骨架的存在,如果細胞沒有和任何物體相連,它就會變成圓滾滾的形狀。如果黏在堅硬的基質上,細胞就會變平拉伸。但是從基質上摘下來後,細胞又會彈回原本的形態。可見,細胞利用了細胞骨架的張拉整體來保持形態。
現在有不少研究發現,細胞骨架不僅有維持細胞形態的功能,還和癌症有關,因為細胞骨架是細胞器運動的參考依據,它的朝向會影響酶以及其他物質運輸的走向。細胞骨架的張拉整體性質,或許和癌症息息相關。

SUPERball V2
@IEEE spectrum
張拉整體得到了美國國家航空航天局(NASA)的關注,因為它們可以在缺乏重力的情況下維持形態。在太空中,像拱橋那樣利用重力提供壓縮力的結構是行不通的。
2018年,NASA 埃姆斯研究中心和加利福尼亞大學聖迭戈分校製造的 SUPERball V2 機器人用的就是張拉整體的設計,6根鋁製硬管之間以尼龍纜線連接,探測器放置在鋁管兩端。
得益於張拉整體的物理特性,SUPERball V2 很經摔,也很經打,還容易壓縮摺疊,是行星着陸器的備選設計。



SUPERball V2的測試
@IEEE spectrum
我們最後再來欣賞一組張拉整體設計吧——
以上圖片均來自tensegriteit.nl
其實上面這些張拉整體都不算什麼,最驚豔(SAO)的還是這根普普通通的麻繩和塑料瓶的組合——
每次看見它,不知怎的就會想起明明很想整一根癱倒在地上,但又被各科作業強行扶起來繼續學的我。