从机器人到视网膜：9 个令人惊叹的折纸应用

当我告诉人们我要去参加最近一次“关于折纸”的会议时，我得到了一些困惑的回应。折纸？像纸鹤一样？嗯，不完全是。折纸原理现在被广泛应用于各种应用——从卫星设计到心脏支架，再到自组装机器人，等等。

但你可能会问，纸艺与这些东西有什么关系呢？事实上，折纸已有数百年的历史，折纸涉及用纸折叠鸟和盒子等形状。日本折纸家吉泽彰因在 20 世纪推动折纸的普及而受到赞誉，他开发了一套基于图片的说明，作为一种通用语言，促进了艺术家和科学家之间的合作。

但自 20 世纪 60 年代以来，尤其是近几年，折纸与数学、工程学和其他学科之间的交集越来越大。我在香槟市伊利诺伊大学主办的会议上很快了解到，折纸背后的数学过程非常复杂，而将一张纸折成各种形状的分析技术和计算机模型也可以用来解决各种棘手的设计问题。

据组织此次会议的伊利诺伊州研究员 Glaucio Paulino 介绍，折纸技术可以帮助用平面（有时基本上是二维）材料制作三维物体。更令人着迷的是，这些物体的规模可以从微型纳米机器人到卫星上的太阳能电池板。应用折纸原理有助于将大型物体缩小成较小的形状，之后它们可以再次膨胀。

事不宜迟，这里有九个令人惊叹的受折纸启发的应用程序，从本周发表的论文中揭晓的应用程序到过去推出的应用程序或即将推出的应用程序。

1. 自组装机器人

您可能对变形金刚并不陌生——尤其是如果您是一名十几岁的男孩或迈克尔·贝的粉丝。麻省理工学院和哈佛大学的研究人员设计了一种本质上类似的东西：一种可以自行组装的机器人。

但情况会越来越好。最初，机器的所有材料都非常扁平，它们可以折叠起来，形成一个可以自行移动和转弯的设备。平板上嵌有电子设备，并通过铰链连接；它们还由加热到 212 华氏度（100 摄氏度）时会收缩和折叠的材料制成。根据今天（8 月 7 日）发表在《科学》杂志上的一项描述这项工作的研究，这台机器需要四分钟才能组装完成。

这种机器可以有多种用途。首先，它们可以用于“远程、自主组装”，作者写道——例如将卫星送入太空或在危险环境中建造庇护所。搜救机器人也是一种可能，因为这种薄型预制机器可以装进一个小洞里，然后部署。这一概念还可用于自动化制造过程中的步骤。

2. 太空中的镜子和太阳能电池板

如何将某物变成紧凑的形状以便升空，然后在外太空迅速将其变大？现在，你大概已经猜到了。物理学家兼折纸艺术家罗伯特·朗说，折纸式的折叠原理已用于制作折叠镜，例如詹姆斯·韦伯太空望远镜 (PDF) 上的镜子。朗是折纸艺术与科学/工程重叠的完美例子。作为加州理工学院毕业的物理学家，他决定放弃更典型的科学轨迹来追求折纸；他现在是世界上最知名的折纸艺术家之一，并且经常与来自世界各地不同学科的科学家合作。例如，朗与劳伦斯利弗莫尔国家实验室合作设计了眼镜望远镜，使用计算折纸制作可折叠镜片。这种巨大望远镜的原型——其长度将达到曼哈顿的长度——已经建造完成，尽管最终工作从未完成。

同样的理念也用于制作可折叠的太阳能电池板和其他需要折叠后再展开的装置。其中一种方法是使用三浦折法，这种折痕图案以日本天体物理学家三浦高丽的名字命名，他恰好参加了这次会议，是该领域的传奇人物。当一张纸被折叠成三浦式的小形状时，人们只需抓住两端并拉动，纸张就会展开。这种简单的折叠方式可用于许多受折纸启发的应用中；1995 年发射的一颗日本卫星上就使用了这种设计的太阳能电池阵列。

在另一项今天也发表在《科学》杂志上的研究中，康奈尔大学研究员 Itai Cohen、研究生 Jesse Silverberg 及其同事利用 Miura 折叠的变体开发了一种特殊的超材料（一种具有自然界中不存在的特性的材料）。Silverberg 发现，通过改变重复折痕图案的大小，他可以以可编程的方式改变材料的硬度。这可能适用于多种用途，例如从平面材料快速创建坚固的 3D 物体。

3. 其他空间设备

除了太阳能电池板，折纸在太空中还有其他用途。英国萨里航天中心的研究员马克·申克正在建造一颗带有充气桅杆的立方体卫星。这种桅杆需要快速拉长，这是一个挑战；很难找到一种可以快速展开并保持刚性的材料。他的解决方案是利用折纸原理，使用一种在六秒钟内迅速展开的层压材料。申克说，未来这种“可展开结构”可用于各种太空装置，例如用于将太阳能电池板或太阳帆连接到卫星的桅杆。

伊利诺伊大学研究员 Jimmy Hsia 也表示，他正在开发由折叠硅制成的微型球形太阳能电池，这种电池具有显著的优势：“无论太阳从哪里来，效率都是一样的。”通常这些电池是扁平的，必须小心地垂直于太阳，否则效率会降低。

4. 设计气囊

制造安全气囊非常困难。它必须在瞬间打开并变硬，但不能太硬；毕竟它不能像石头一样坚硬。事实证明，模拟这种尺寸形状的膨胀的最佳方法是弄清楚如何利用折叠从平板创建 3-D 多面体。罗伯特·朗帮助一家德国公司开发了模拟安全气囊打开和折叠的软件，他的算法已被用于该公司的计算机模型中以改进产品。

5.心脏支架

日本传统认为，折出 1,000 只纸鹤的人可能会实现一个愿望——也许可以挽救一条生命。但折纸原理实际上可以通过科学挽救生命。牛津大学研究员钟友和同事开发了一种心脏支架，它利用了“水弹底座”的概念，这种概念在您可能见过的充气折纸盒中得到应用。支架由塑料材料制成，可以收缩到足够小以穿过导管，但一旦它到达其位置，就可以充气以打开动脉。

6. 建筑

芝加哥 Skidmore, Owings and Merrill 建筑事务所的建筑师 Neil Katz 表示，折纸艺术正越来越多地融入建筑领域。例如，它被用来制作可折叠、易于组装的房屋。但在更高层次上，它越来越多地被用于制作可调节的屏风或墙壁，在一种形状下可以让光线通过，而在另一种形状下则更加不透明。为此，折纸原理还允许建筑师制作“遮阳和覆盖层”，在一天中最热的时候可以阻挡阳光，从而阻挡热量，然后在天气凉爽时打开。例如，北京绿地大望京大厦的外墙“是折纸的，可以自行遮阳”，这种设计“节省了大量能源”。

7. 纳米设备和机器机器人

研究人员利用 DNA 的折叠特性制造了各种超微型物体，包括用于药物输送的盒子和容器以及纳米机器人。有朝一日，这样的设备可以爬遍你的身体来诊断问题（虽然我不会报名参加）。不过，目前，这些设备已在活蟑螂体内使用。

“折叠的基本定律适用于任何规模，”朗说。

8.视网膜植入物

加州理工学院研究员 Sergio Pellegrino 正在开发一种受折纸启发的视网膜植入物，以帮助患有老年性黄斑变性和视网膜色素变性（导致光感受器丧失的疾病）的人。Pellegrino 表示，他的设备与现有设备相比有几个优势：它可以以较低的成本制成扁平状；折叠技术可以在视网膜附近形成密集的电极阵列（以传输安装在眼球附近的相机的电信号）；并且它可以“具有弹性，以适应各种视网膜尺寸”。

9. 优秀的艺术作品

正如您所料，折纸仍然用于制作……折纸。这是罗伯特·朗的一件作品：

东京大学研究员、著名折纸艺术家 Tomohiro Tachi 利用折纸技术开发了创新的 3D 雕塑。下面是他用金属制作的结构，由于边缘锋利，他必须戴着手套才能拿到。由于有专门的打印机的帮助，这个形状只花了一个小时就制作出来了。“由于结构简单，所以制作起来很容易，”他以一种典型的谦逊方式说道，谈论的是一个看起来既不简单也不容易的事情。

Tachi 还展示了自己折纸兔子的延时摄影视频，耗时 10 个小时。

顺便说一下，这是 Miura 的一张 Miura 折痕复制品。早期，他必须手工绘制独特的折痕图案，因为当时没有电脑来帮助设计这种东西。

罗伯特·朗总结得最好。“如果你抬头仰望太空或手术室，你很可能会看到折纸，”兰德说。“也许有一天，它能拯救生命。”