NASA工程師的1秒變臉摺紙，你盯多久能看懂原理？ | 科學DIY_風聞

【本文由公眾號“把科學帶回家”提供，ID：steamforkids】

Robert Lang 設計的變色摺紙

@veritassium

看到上面展示的這個好玩的會突然變臉的摺紙玩具了嗎，它居然能瞬間變色。你盯多久能看明白它是怎麼變臉的？（它能變臉是因為可以在順時針和逆時針2個方向上快速旋轉）

別小看這個玩具。用特定材料製作的話，它可以被玩10萬次都不會壞，非常適合航空航天。

更奇妙的是，一些生物體內就有這種摺紙。一起來看看它是什麼來歷，又是怎麼製作的吧！

關鍵概念

克雷斯林圖案

材料和操作

剪刀

白紙

打印機

1 將模版打印出來，然後剪切摺疊（模版裏有製作説明）。

（在 把科學帶回家 微信公眾號後台回覆 克雷 獲取模版）​

原理

這個摺紙的摺痕設計叫做克雷斯林圖案（Kresling fold pattern），是德國數學家 Biruta Kresling 發明的，但是它的雙色玩法是 NASA 工程師改行，又被請回 NASA 用摺紙設計衞星的摺紙大師 Robert Lang 設計的。

Robert Lang 用7年，同一張紙，不經過剪切折成的仙人掌（綠色部分）。

其實，我們之前介紹過，Biruta Kresling 本人能一下徒手一扭（torsional loading），讓紙質圓柱體長出克雷斯林圖案。（點我看詳細）

Biruta Kresling 發現扭矩可以讓紙質圓柱體長出克雷斯林圖案

後來，楊百翰大學（Brigham Young University）的柔順機構研究中心發現，克雷斯林圖案是一種非常適合航天的摺紙設計。

克雷斯林圖案隨着應力而發生的相變

@Pablo Zavattieri Research Lab

楊百翰大學柔順機構研究中心的研究人員曾經對它進行疲勞測試，輻射測試等多種材料測試，發現某些材料（聚酰亞胺Kapton，特衞強Tyvek和超高分子量聚乙烯UHMWPE）製作的克雷斯林圖案打開摺疊10萬次都不會壞，而且對嚴酷的環境也適應良好，比較輕巧，適用於太空的應用場景，未來或許可以替代火星車的鑽頭的金屬摺疊設備。

不同材料製作的克雷斯林圖案

@DOI：10.1115/DETC2016-59060

當然，現在已經有很多航天設備採用了摺紙的思路，比如天線、太陽能板（點我查看）。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，以及 Robert Lang 參與設計的 eyeglass telescope 天文望遠鏡都含有摺紙的設計元素。

衞星的摺紙太陽能板

@veritassium

建築學和日常物品也可以利用摺紙結構控制光線、氣流、散熱和外觀。

可摺疊的Oru皮划艇

@Oru Kayak

類似於我們製作的摺紙柱體（origami bellow）還可以被用於醫療，比如運輸導管。利用摺紙運輸醫療儀器能夠減少對人體組織的侵入性，從而降低病人的恢復時間。

麻省理工學院的計算機科學與人工智能實驗室（CSAIL）的計算機學教授 Daniela Rus 的團隊還設計了一種能夠吞下去再展開的冰包摺紙藥丸，它可以在人體內的指定位置打開，然後給藥或者覆蓋傷口。

冰包摺紙藥丸

@MIT

實際上，隨着研究的深入，每年研究人員都在發現摺紙藴藏的未知秘密。

2015年發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的一項研究中，佐治亞理工學院和東京大學的研究人員就利用三浦摺疊設計了一類叫做 zipper coupled tube 的剛體摺紙管子。

它雖然只能在一個方向上摺疊運動，但是彎曲剛度（不容易被掰彎）和扭轉剛度（不容易扭轉）都很強，既靈活，又堅固，有望成為機器人、航空航天、建築學的超材料。

zipper coupled tube 剛體摺紙的各種組合玩法

@georgia tech

華盛頓大學的研究者演示，這種剛體摺紙多面體有很好的彎曲剛度——

不過，會玩摺紙的不僅是人類，大自然也有鬼斧神工的摺紙。許多複雜的生物組織，實際上都是摺疊而成的。

我們之前也講過，土豆花、山毛櫸嫩葉的葉子都是摺疊起來的，赭帶鬼臉天蛾（Achaerontia atropos）腹部氣囊採用的也是克雷斯林圖案摺疊而成。（點我看詳細）

這些生物組織本身就是片狀，能摺疊似乎並不奇怪。但是你知道嗎，獨角仙還有金龜子的角，也是折出來的哦。

實際上，雄性獨角仙（Trypoxylus dichotoma）、雄性金龜子等甲蟲在前蛹時期（變成蛹之前的時期），角就是摺疊起來的。

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雄性獨角仙在成蟲前的前蛹期，角的皮膚是摺疊起來的，形成了一個個小圓盤。

@DOI：10.1038/sj.hdy.6800868

原來，在獨角仙的角的表皮細胞增殖的時候，會摺疊成一層層類似於等高線的圓片，在變成蛹時候，才會 biu~~ 一下層層展開，挺成牛氣哄哄的角。

獨角仙：誰年輕時沒燙過泡麪頭？