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嗦完的吸管不要扔,集齐6根可以召唤NASA机器人 | 科学DIY

实验君 把科学带回家 2019-10-10

本文由公众号 “把科学带回家” 提供

给孩子最好的科学教育



见过一串互不相连的光棍能做这种事吗——



还可以这样玩——




这是2015年和2016年的火人节(Burning Man)大会上,艺术家buchananwp制造的成人玩具。


给你仔细看看所有光棍的结构——




Piaji一拍——




好玩不?NASA就用这种设计做了一个机器人出来。我们今天就来学怎么做。







关键概念


拉整体



材料和操作



6根吸管(或中空木棍)

十来根橡皮筋

剪刀

胶带纸








二十面体张拉整体制作视频——



@Angela YU




原理


我们制造的这种好玩的玩具,属于一类叫做张拉整体(Tensegrity)的建筑结构。



张拉整体这个名词是美国建筑师和发明家巴克敏斯特·富勒(Richard Buckminster Fuller)在1961年提出的。对,富勒烯用的就是富勒的名字(虽然富勒烯不是富勒本人发明的)。


巴克敏斯特·富勒和他设计的张拉整体


张拉整体是一种利用材料张力,将互不接触的刚性物体结合起来的结构。从功能上来看,张拉整体虽然有棱有角,但却具有弹性,就像气球一样。但同时,它们又不像气球那样“毫无骨气”,反而非常稳固,刚柔并济。


@NASA


张拉整体和用使用压缩力的传统建筑结构(如拱桥)不同,张拉整体利用柔性材料提供的张力支撑整体。



1968年,美国建筑师 Kenneth Snelson 设计的张拉整体装置 Needle Tower,位于华盛顿的赫希洪博物馆和雕塑园。

@wikipedia


2009年10月落成的澳大利亚昆士兰州布里斯班河上的库利尔帕桥(Kurilpa Bridge)就是一类张拉整体。


澳大利亚昆士兰的库利尔帕桥


1988年首尔奥运会的体操馆,以及1996年亚特兰大奥运会的乔治亚巨蛋(The Georgia Dome)的穹顶也属于张拉整体流派的。


亚特兰大奥运会的乔治亚巨蛋


生物也能制造张拉整体。


比如,蜘蛛的网是一种张拉整体结构。


金丝蜘蛛(Nephila Clavipes)的蛛网上有一种用蛛丝钩织的长方形的硬板,这些板充当了张拉结构中的刚体(如果我们实验中的棍子),附近的蛛丝则提供了张力。


金丝蜘蛛的网是一种张拉整体

@Skelton, Robert E., and Mauricio C. de Oliveira. Tensegrity systems. Vol. 1. New York: Springer, 2009.


生物体内也有不少张拉整体。最常见的张拉整体,其实就是人体的骨骼。人类的骨骼之间以肌腱肌肉和韧带相连,形成了一个个兼具强度和韧性的张拉整体。


@Skelton, Robert E., and Mauricio C. de Oliveira. Tensegrity systems. Vol. 1. New York: Springer, 2009.


细胞内的细胞骨架(cytoskeleton)属于张拉整体。




真核细胞并不像一个装满水不停晃荡的袋子,而具有精细复杂的内部结构。维持细胞形态的,就是由蛋白纤维构成的细胞骨架(见上图)。


因为细胞骨架的存在,如果细胞没有和任何物体相连,它就会变成圆滚滚的形状。如果黏在坚硬的基质上,细胞就会变平拉伸。但是从基质上摘下来后,细胞又会弹回原本的形态。可见,细胞利用了细胞骨架的张拉整体来保持形态。


现在有不少研究发现,细胞骨架不仅有维持细胞形态的功能,还和癌症有关,因为细胞骨架是细胞器运动的参考依据,它的朝向会影响酶以及其他物质运输的走向。细胞骨架的张拉整体性质,或许和癌症息息相关。



SUPERball V2

@IEEE spectrum


张拉整体得到了美国国家航空航天局(NASA)的关注,因为它们可以在缺乏重力的情况下维持形态。在太空中,像拱桥那样利用重力提供压缩力的结构是行不通的。


2018年,NASA 埃姆斯研究中心和加利福尼亚大学圣迭戈分校制造的 SUPERball V2 机器人用的就是张拉整体的设计,6根铝制硬管之间以尼龙缆线连接,探测器放置在铝管两端


得益于张拉整体的物理特性,SUPERball V2 很经摔,也很经打,还容易压缩折叠,是行星着陆器的备选设计。




SUPERball V2的测试

@IEEE spectrum


我们最后再来欣赏一组张拉整体设计吧——


















以上图片均来自tensegriteit.nl



其实上面这些张拉整体都不算什么,最惊艳(SAO)的还是这根普普通通的麻绳和塑料瓶的组合——



每次看见它,不知怎的就会想起明明很想整一根瘫倒在地上,但又被各科作业强行扶起来继续学的我。





读者DIY手作展示



△ 杜轲涵 小朋友制作的光谱仪(点我查看)




 深奥@琢磨 小朋友制作的弹力鸡蛋(点我查看)








不过瘾,请戳

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