【官方雙語】能從平面展開到三維的「雙穩態拉脹結構」

我不知道該不該稱它為一個結構， 一種機制，或一種材料。 好吧，我想這是一種材料。 其中內建了機制 這導致其具有有趣的結構。 設計師稱之為雙穩態負泊松比結構。 那我們就這麼定了。 但我覺得這個名字實在無法充分展現其精髓 因為它能做更多事情 而非雙穩態及負泊松比。 本影片由 KiwiCo 贊助。 影片結尾會有更多關於他們的資訊。 讓我們來剖析一下這個名字，雙穩態負泊松比。 你可能曾經接觸過負泊松比材料。 負泊松比材料是材料 當被拉伸或壓縮時會以奇怪的方式反應。 例如，藍丁膠就不是 auxetic。 如果你往一個方向拉伸藍膠， 它在另一個方向上變得更薄。 這是很正常的行為。 負泊松比材料則恰好相反。 當你沿著一個方向拉伸負泊松比材料時， 它在另一個方向上也變得更寬。 事實上，可能存在各種不同的行為模式 當你壓縮和拉伸一種材料時。 我們為材料的行為賦予一個數值 稱為泊松數。 一般材料的泊松比為正值， 就像藍丁膠一樣。 當它在一個方向上被拉伸時， 它在另一個中收縮。 一種 auxetic 材料具有負的泊松比。 當它在一個方向上被拉伸時， 它在另一個方向上也有所擴展。 但你也能獲得泊松比為零的材料。 例如，軟木的泊松比約為零。 意思是如果你在一個方向上壓縮它， 實際上，另一個方向什麼也沒發生。 這使得軟木變得非常實用 用來封堵酒瓶的。 當你按下軟木塞時 將它塞進瓶頸裡 它不會向兩側擴展，這很好 因為如果真的如此， 你無法把它裝進瓶裡。 但物質怎麼可能具有負的波桑比呢？ 這一切都與較小組件的設計有關 材料之間相互移動。 看看這些小三角形如何彼此鉸接。 以及這如何導致它們之間產生額外的空間。 這裡是另一個例子。 當我拉動這個方塊時， 較小的方塊互相旋轉 根據鉸鏈的排列模式， 導致整個事件向兩個方向擴展。 順帶一提，我其實一陣子以前就做出這個裝置了 我還在每個方格上貼了白板膠紙。 因為我有這個想法 讓我能夠在那些方格上放置一張圖片 這在機制的兩種方向上都能正常運作。 我從來沒有成功過。 但如果妳靈感湧現，想來玩一玩， 我很想看看你會創造出什麼樣的成果。 分享你創作的最佳場所 在我的 Discord 伺服器的科學展覽專案頻道上。 連結在描述中。 在我的關於可變多面體的影片中， 傑森的多面體具有 auxetic（負泊松比）特性。 朝一個方向壓扁它 使它向另一個方向壓縮。 其實是另外兩個方向。 所以這種材料是 auxetic 材料，但它同時也具有雙穩態特性。 你經常會遇到雙穩態機構 在你的日常生活中。 例如，電燈開關。 看，這個燈的開關在關閉位置時是穩固的。 如果我再推一點的話， 當我停止按壓時，它會回到關閉位置。 但如果我用力夠狠的話， 它將轉換到另一個穩定狀態。 因此，一個燈的開關有兩種穩定的狀態 我能夠透過克服某個最小作用力，在它們之間移動。 此開關由多個零件組成 一起努力工作， 但有可能構建一個雙穩態機構 從一個零件開始， 只要材料具有一定的柔韌性即可。 我使用一種稱為 PETG 的材料進行列印。 而且看，它有兩個穩定的配置。 你也可以稱之為符合性機構。 我會留下一個 Derek 的影片連結 關於那件事，就在 Veritasium 那邊。 但這裡還有一件更有趣的事正在發生。 這材料不僅具有雙穩態特性， 其中一種穩定的配置 彎成了一個有趣的形狀。 原來這材料是能夠調校的 使部署狀態成為你喜歡的任何形狀。 嗯，幾乎任何形狀。 我跟共同撰寫該論文的田晨談過。 他向我展示了這種材料的基本構建單元。 這真的很巧妙。 你看，當你往一個方向拉動這個東西時， 它向另一個方向擴展。 因此，如果我們將它們密鋪在一起， 我們將會有一種 auxetic 材料。 但再看一遍那個動畫， 這次我想讓你專注於這裡的這些切口 以紅色標記。 注意當形狀被拉伸時，各部分是如何分開移動的。 但最重要的是，到結尾時，他們又團聚了。 這些切口的情況也是一樣的。 這些部分在開頭和結尾處是連在一起的。 但它們之間是分開的。 那麼，如果我們根本不去做那些削減，會發生什麼情況呢？ 如果這材料具有彈性，像橡膠一樣， 當你拉伸材料時，那些部分就會被拉長。 但關鍵的是，他們將處於極限拉伸狀態 在序列進行到一半時， 一旦你度過了中點， 那些拉長的橡膠部分 實際上會將材料拉出 朝最終狀態發展。 換句話說，該材料將是穩定的 在兩種配置中。 就像電燈開關一樣，它將是雙穩態的。 那不是很酷嗎？ 田晨和他的同事們 實際上並沒有想出那部分內容。 那是阿赫馬德·拉夫桑賈尼與達米亞諾·帕西尼的成果。 他們在伊朗看到了一些有趣的幾何圖案鋪砌。 並好奇橡皮膜會如何表現 如果按照鋪設方式切割的話。 結果發現它具有雙穩prm性和負泊松比特性。 儘管材料在兩種穩定狀態下均保持平坦。 那麼要怎麼讓它立體凸顯出來呢？ 好吧，田晨所做的，就是看著其中一個三角形 構成六角晶格單元的部分。 實際上，有幾個參數 你可以玩的。 您可以改變這條線的長度。 我們稱這個長度為 T。 因此，那裡有著一整套切法值得探索。 然後你又有了這個角度。 我們就稱它為 theta。 所以你有這麼多切面可以探索。 您可以獨立變更 T 和 theta 而且你會得到不同的特性。 例如，在左側，長度 T 較長 而且角度 θ 很大。 而右側，T 短，θ 值小。 它們都是雙穩態負泊松比結構。 但其中一個的擴張程度大於另一個。 於是你就說， 假設我想讓這張紙變成一個圓頂。 那麼，你就需要橡皮膜的中間部分 擴展超過橡膠片的周界。 所以你一開始就從你的三角形圖案開始。 整個橡皮膜上都是如此。 然後你調整這兩個參數，T 和 theta 直到你得到所需的膨脹量為止 使薄膜在每一處都向上彎曲，形成一個圓頂。 這就是你現在所看到的。 那不是很驚人嗎？ 順便一提，你也可以直接畫三角形 在中間加大，以獲得更大的擴張效果。 這一點可由這種非雙穩態材料得到證明。 看看當施加的力被移除時，它如何坍塌。 但總體而言，僅僅製作三角形的問題在於 在你希望擴展的區域更大 那個……計算變得更困難了， 但你也可能會得到非常平坦的大塊區域 以及非常細小複雜的部件。 不過有一個問題。 你如何決定要更改哪個參數以及更改的幅度？ 因為你有 T 和 theta。 你可以改變其中任何一個 以獲得您想要的擴展量。 那麼你該如何選擇呢？ 這裡是一個熱力圖 顯示橡膠板擴展了多少 當你改變 T 時，它顯示在垂直軸上， 以及以 theta 為橫軸。 熱力圖上較亮的區域表示擴張程度更高。 因此，如果你想獲得特定的擴張量， 就說這麼多， 其實，你這裡有一整行呢 可能的 T 與 theta 配對選擇 這將給你如此大的擴展空間。 所以你選擇的方式是， 基本上，你是在電腦中進行大量的模擬工作 讓您看看這個結構將有多穩定 針對所有這些不同的值 無論它被部署成圓頂形狀還是其他形狀。 看，在這個模擬中，當板材被拉伸時， 圖表顯示了拉伸它有多困難。 實際上，正是這張圖表 這告訴我們它是雙穩態的。 你有這兩個能量極小值。 如果你能向系統輸入足夠的能量 要跨越這道山丘，接下來你便會降入這片山谷。 因此，當我們考慮價值觀時 選擇 T 和 theta 我們正在考慮這張圖表。 如果我們希望這個結構穩固， 也就是說， 如果我們不希望它再次坍縮回那種平坦的狀態， 然後我們想要最大化這個距離。 我們需要盡可能地將山谷挖得更深。 讓它更難脫身。 於是你就創建了另一張熱力圖， 但這次展現了這股能量之源有多深邃 針對不同的 T 和 theta 值。 回到這個熱力圖， 你有黃色曲線顯示可能的 T 和 theta 值 這能給你想要的擴展量。 你將那條黃色曲線疊加到這個熱力圖上， 而你則選取曲線上的某一點 這讓你擁有最深的山谷。 有趣的是，這些結構並不容易收起。 你必須有點像按摩那樣，把它整個都揉一揉 把它再弄平。 因此，T 和 theta 可能過度優化了。 你可能會問這類應用程式是什麼樣的 對於這種材料來說，可能會有這樣的問題。 當然，一個明顯的例子是醫療支架。 目前，支架展開為直筒狀。 但動脈並不總是直的。 如果我們能設計出一種支架，那不是很好嗎 長到正好合適的大小和形狀 什麼時候部署？ 值得一提的是，還有這一點 一種可自組裝的負泊松比蛋白質晶格 已開發_instructions You are a professional translator. 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Output only the final translation. 它以非常相似的方式運作 實際上是我的連結方塊。 能與一種材料玩耍，該有多酷啊 這在分子層級上具有 auxetic（負泊松比）和雙穩態特性。 一種在兩個尺寸之間突然變化的材料？ 也許有一天。 猜猜看今天什麼來了？ 什麼？ KiwiCo！ 我已經給我的孩子們訂購基威科（KiwiCo）很久了。 而且我注意到一件非常有趣的事。 所以KiwiCo是一個STEM專案的訂閱服務。 每月你都會收到一箱郵件， 而且它包含了你所需要的一切 一個非常有趣且注重實踐的STEM專題項目。 我注意到的一點是，這件事。 有九條不同的線 針對每一個可能的年齡層。 通常，我會收到一個盒子 那已經超過我孩子的年紀了。 我會和他們一起完成這個項目。 當你成為父母後，其中一件你會發現的事 人類必須學習所有東西嗎？ 就像小孩不知道如何用湯匙吃麥片一樣。 他們出生時並不會這項技能。 而且你會在孩子還很小的時候就留意他們 連那樣簡單的事都做不好。 於是，透過 KiwiCo，我正在向他們展示， 看，這就是使用螺丝刀的方法。 你知道嗎，這就是把兩樣東西連接在一起的方法 以這種特別的方式，或不管怎樣。 這是這個槓桿機構。 現在，他們已經持續玩 KiwiCo 很久了。 他們在所有這些事情上都非常精通。 如同工具的使用，對於機械原理(pf)above 以及工程與電子學。 他們現在對這類事情有了一點直覺。 他們思考的方式如同創作者。 順便一提，KiwiCo 不只是一個訂閱服務。 你也可以從KiwiCo商店購買單次配送的禮盒， 非常適合節日季節。 我非常欣賞KiwiCo的另一個地方是 重玩價值。 就像，我兒子已經連續玩這台吊車好幾天了。 已經讓人感到煩躁了。 你知道的，是時候整理一下了 他們所造成的混亂局面， 而且大約需要一個小時 因為他正在使用起重機整理。 如果你對 KiwiCo 感興趣， 那麼這款的促銷真的非常划算。 如果你前往 kiwico.com 斜線 Steve Mould 結帳時使用優惠代碼 Steve Mould， 您首個月可享五折優惠。 連結也位於說明中。 現在就去看看KiwiCo吧。 希望您喜歡這段影片。 如果你這麼做，別忘了按讚訂閱。 而且這個演算法認為她接下來會喜歡這支影片。