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物理学家辞掉NASA工作玩折纸,一不小心解决了卫星上天的难题


来源:把科学带回家

原标题:物理学家辞掉NASA工作玩折纸,一不小心解决了卫星上天的难题

本文由公众号 “把科学带回家” 提供

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本文转载自公众号SME

你能相信吗,有一位物理学家放弃了在NASA(美国国家航空航天局)十三年优越的工作,甘愿跑去玩折纸。

可是,他不仅将折纸玩出了历史新高度,还用折纸原理解决了太空难题,可谓是真正玩折纸上了天。

罗伯特·J·朗出生在美国俄亥俄州的一个普通家庭里。

6岁那年,他就被折纸书所吸引,照着它来用纸制作玩具。到了10岁,他不仅将书里的模型折了个遍,还开始自己想办法折书上没有的东西。

中学时代,他仍对疯狂迷恋折纸,幸好这完全没有影响到学业。

他一路过关斩将考上了著名的斯坦福大学。优秀的成绩让罗伯特得以继续攻读硕博士。期间,他一方面要坚持折纸练习,另一方面还要兼顾学业。

他创作了近百件复杂而精妙的折纸作品,比如需要数百次折叠的海龟。

在进行博士后研究的期间,他十分钟爱一种叫布谷鸟的钟,并发誓自己要用纸叠出一个来。

经典折纸有一个最基本的要求就是,使用一张纸,不许将它剪开或撕裂。

罗伯特·J·朗

这看似简单的规律却很难适用于钟的折叠。

但他毫不气馁,根据自己已有的经验,整整花了三个月的时间去构思轮廓和叠法。在他尝试无数次之后,终于一口气花了六个小时将它折了出来。

左:罗伯特折纸的,右:布谷鸟钟实物

这个无论从钟摆、松果和鹿头都看上去跟实物神似的纸布谷鸟钟让他一举成名。

不过,那时对他来说,折纸只是一个兴趣爱好而已,还没有办法养活自己和家人。所以,尽管在折纸界小有名气,他仍选择去 NASA 从事有好收入的工作。

之后,他成为了一名 NASA 喷气推进实验室的激光物理学家和研究员。在NASA 工作期间,罗伯特陆续发表了80多篇物理学的论文。

同时,他在半导体激光器、光学,以及集成光电子学等领域有46项专利,并成为了美国数学学会的成员。

NASA喷气推进实验室

但与此同时,他也越来越深爱折纸,这也让他越发痛苦。经过一番选择后,罗伯特放弃了他在 NASA 的事业。

认识他的人都不敢相信他放弃了如此难得的工作。但比起物理研究,他的人生追求其实是折纸,而且是利用高科技的折纸。

但千万别小看折纸艺术,实际上把它叫做“折纸科技”更合适。

早在8世纪,欧洲的科学家就开始尝试将几何学原理应用到折纸当中。但直到20世纪中叶,折纸爱好者们仍旧只能重复折叠早已存在的一百多种经典作品,折纸的技术一直停滞不前。

直到日本有一个叫吉泽章的折纸艺术家出现,他运用新技术创作出了创意满满的折纸作品。

现代折纸之父吉泽章

这使得折纸的热潮空前高涨,许多国家都成立了自己的折纸协会。许多折纸爱好者开始运用解析抽象几何、微积分等数学知识来解决折纸当中遇到的问题。

当然,罗伯特也不例外,他放弃 NASA 的工作后也开始专注将折纸与数学联系在一起进行创作。

在罗伯特的努力下折纸技术有了新的突破,他和吉泽章各自独立开创了一种革命性的折纸法,称之为“圆河包装”。

在此之前,关于如何折叠出逼真的昆虫腿部、翅膀和触角的问题一直困扰着折纸大师们。

用圆河包装折法设计的蝎子(左)和折法(右),因为这种折法需要绘制一些圆和一些条状物,因此叫做圆河包装

罗伯特和吉泽章的圆河包装折法能让圆角包入方形里而无需经历折叠,这种方法可以逼真地模拟出生物的外形。这个曾经令折纸大师们苦思冥想的问题被罗伯特轻而易举地化解了。

罗伯特还利用自己的数学知识,开发出了用于制作复杂设计的计算机折纸程序, 被称为 TreeMake。

作为一款数学折纸的软件,它主要分为两部分:首先它可以根据你的目标输出折痕,这些折痕也是作品成败的关键。

其次,这个程序还可以在第一步的基础上计算出每道折痕正确的折叠顺序。

罗伯特靠着自己的折纸技能和计算程序,能在无需借助任何其他辅助工具的情况下在一张纸上折出史无前例的形状。

迄今为止,罗伯特已经创造了超过649个复杂的新折纸模型,比如海龟、猛禽、响尾蛇和爆米花大小的虱子。

罗伯特折纸的作品

不只如此,罗伯特还利用折纸技术去帮助其他科学领域的发展。

在这之前,NASA 想给卫星配上太阳能板,但是想要往太空“运货”,物品的体积和重量都有严格要求。就算太阳能电池板已经使用了一些手风琴结构的设计,但它依旧不能够在更小的空间内装入更大的表面面积。

太阳能板小不了的死穴使研究一再陷入了困境。只有想方设法把它折叠成小巧的样子,才能够冲出瓶颈 。

NASA 工作人员提出了一个方案:先将太阳能板折叠起来,用运载工具运到太空后,再把它打开。

但怎么折叠呢?如何保证打开后太阳板的表现不会大打折扣呢?他们对此一头雾水,这时候就轮到罗伯特大显身手了。

罗伯特根据自己的经验和在折纸方面的手艺,成功设计出了一款可以折叠的太阳能板。

它不仅在运输的时候能折叠成小巧的样子,而且具有很大的表面积。同时它还能在发射的时候缠绕在卫星上,它的展开也不需要宇航员的协助。

折叠的太阳能板

罗伯特还认为,折纸理论可以应用到现今的汽车安全、建筑学、机器人生产,制造甚至医药等领域。

在实际应用方面,他做出了很大贡献。比如用折纸来实现机械手的操作、血管支架的折叠、以及汽车安全气囊的折叠等。

展开的太阳能板

罗伯特在一次 TED 演讲中坦言,最初他用数学做折纸,只是想做一些更好看好玩的东西,但不经意间居然还能解决现实世界中的难题。

当初放弃 NASA 成为独立的折纸艺术家之时,几乎任何人都不看好他的选择。

令罗伯特做梦都不会想到的是,现在仅仅在美国就有十几个由联邦政府拨款的折纸工业应用研究项目,有近四十位大学折纸教授以及无数以此为专业的学生。

他们都相信,诸如汽车安全、太空科技、建筑学、机器人技术、制造业和医药业等许多领域中的难题,都能在折纸这种传统艺术中找到解决方案。

就比如在太空技术上,即便马斯克成功发射了重载火箭,但将许多东西运送到太空仍非易事。它们往往因为体积太大灵活性不足而遭遇重重阻碍,尤其是机器人。

不过在2017年, NASA 就研发出了一种体积很小但却十分灵活的探索机器人。

PUFFER机器人

它可以折成巴掌大的样子,能够被非常轻易地放入大型航天器中运载到外星球。与此同时,它又能在狭小或环境恶劣的空间中来去自如,并执行探索任务。

这款被命名为 PUFFER 的机器人的设计灵感也正是来自于折纸。

PUFFER的机器人

谁也没想到,已成为许多人童年回忆的折纸,竟能解决工业领域的种种难题。作为折纸技术先驱的罗伯特,当年也只是单纯地想用自己的专业来进一步让自己的爱好变得更有趣。

不曾想,在将折纸玩到极致的同时,他也完成了许多不可思议的事情。一直以来,很多人说玩物丧志,却忘记了玩物亦可养志。

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参考资料:

访谈 罗伯特·J·朗:折纸艺术中的数学奥秘

Robert lang:《Folds way new origami》.TED

齐鲁壹点:美国一物理学家辞掉 NASA 工作,专注折纸还出了8本书

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