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

【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。