摺紙科學從理論走進應用
- 發佈時間：2015-08-02 14:30:32 來源：科技日報 責任編輯：羅伯特
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科技日報訊 （通訊員劉曉艷 記者馮國梧）天津大學陳焱教授有關摺紙科學的研究成果近日被《科學》雜誌發表，這意味著厚板折展機構學理論在摺紙工程應用領域有了重要突破。
摺紙是一項古老的東方藝術，也是一門新興的前沿科學，處於數學、機械、力學、材料、控制、生物、醫學等多個基礎學科的交叉領域，藝術家創造了豐富的摺紙結構；數學家致力於二維折痕分佈與三維摺紙結構之間的映射演算法的研究；而現代工程師則想方設法實現摺紙結構在工程中的各種應用。
摺紙科學中重要的基礎科學問題之一就是摺紙的運動學模型，早期的研究僅僅關注折痕分佈及其最終的三維形狀，並假設紙張是零厚度的。然而面對真實工程對象厚度是不可忽略的問題，已有的理論不再適用。那麼如何像摺紙一樣折疊厚板呢？天津大學陳焱教授與英國牛津大學由衷教授合作，成功地解決了這一問題。其從空間機構運動學的基礎理論出發，提出了厚板摺紙理論模型。該新模型用空間機構代替球面機構，得到單自由度的厚板摺紙條件，使得已有的具有大折展比的折痕分佈可以直接應用於厚板折疊；通過對厚板模型中多機構網格運動學分析，精確地描述厚板的折疊過程，完美實現了摺紙結構與厚板結構運動學的等價。同時該模型將多自由度的零厚度摺紙模型轉化成單自由度的厚板摺紙模型，有效地簡化了結構的驅動與控制。這項工作突破了摺紙科學從理論到應用的主要瓶頸，為摺紙結構工程應用鋪平了道路，可直接用於建築結構、太陽能帆板、空間天線反射面等大型面狀結構設計，以及人體自然腔道狹小空間下手術器械運動機構設計等方面。
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