美国华裔中学生设计出承重自身一万倍的折纸结构(组图)

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　　坐在纽约市家中的客厅里，14岁的Miles Wu惊讶地发现，一张折成三浦折叠样式的普通纸片，竟然能承受自身重量10000倍的重量。为了寻找一种能在自然灾害等紧急情况下用于构建便携式避难所的技术，Miles Wu投入了超过250小时，勤奋地设计、折叠并测试了大量这种由平行四边形组成的镶嵌图案，这种图案可以一举完成折叠或展开。

　　Miles Wu目前是纽约市亨特学院中学的九年级学生，他对这些简单的纸片所能承受的重量感到非常震撼。他一直对古老的折纸艺术很感兴趣，大约6年前开始将其作为一种爱好，但在2024年，他开始超越折纸的艺术属性，探索其作为科学研究的潜力，阅读了许多关于不同几何折纸如何应用于科学、技术、工程和数学领域及其物理特性的资料。

　　虽然折纸艺术已有几个世纪的历史，但直到1960年代，工程、医学、数学和建筑领域才对其产生了深厚兴趣。从那时起，折纸已被用于生物医学设备的设计，例如支架和导管，以及自动组装机器人。Miles Wu尤其对三浦折叠感兴趣，这种折叠法由日本天体物理学家Koryo Miura发明，因其在航空航天工程中的应用而闻名，曾被用于制作航天器和卫星的太阳能电池板，最早的应用案例之一是1995年日本发射的一颗卫星。

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　　Miles Wu解释说，这种褶皱和角度组成的图案可以折叠成非常扁平、紧凑的形状，这非常酷。当飓风海伦在佛罗里达州登陆，南加州山火蔓延时，他想到这些既坚固又可折叠的图案或许可以像帐篷一样，用作自然灾害中的紧急避难所。他注意到，现有的避难所结构往往难以同时满足坚固、易于部署和成本低廉这三个条件，但在飓风或山火等紧急情况下，理想的避难所需要能快速生产、轻松搭建并能抵御严酷的天气环境。

　　为了验证这个想法是否可行，Miles Wu开始测试折叠图案的强重比，即它们能承受的重量与自身重量的比例。他先用电脑程序绘制了三浦折叠的不同变体，通过调整高度、宽度和平行四边形的角度作为变量。他使用了复印纸、轻质卡纸和重质卡纸这三种纸张，对54个不同变体进行了108次试验，每个变体折叠两个样本。为了减少人为误差，他使用压痕机来精确折叠这些图案，然后将每个面积为64平方英寸的图案放置在间隔5英寸的护栏之间，不断增加重物直到图案破裂。

　　Miles Wu把家中小小的客厅变成了私人实验室。实验刚开始时，他以为最坚固的三浦折叠结构只能承受约50磅的重量，用家里的教科书就能压塌。但令他惊讶的是，这些图案承受了高达200磅的重量，家里的书本、铸铁锅和其他重物根本不足以测出它的极限强度，他最后不得不让父母买了50磅重的健身哑铃来进行测试。



　　他测试的最强三浦折叠结构能支撑超过其自身重量10000倍的重量。Miles Wu兴奋地形容，这个比例相当于一辆纽约市的出租车支撑着超过4000头大象的重量。这项创新让他赢得了2025年赛默飞世尔科技青少年创新者挑战赛的25000美元最高奖金。该赛事由科学学会自1999年起举办，是美国领先的初中生科学竞赛，Miles Wu是从华盛顿特区决赛圈的30名选手中脱颖而出的佼佼者。

　　科学学会主席兼首席执行官、Science News的执行出版人Maya Ajmera表示，他们一直在寻找未来的科学领袖，而Miles Wu是头奖获得者。评委们尤其被那些植根于个人经历并能产生社区影响的项目所打动，Miles Wu将对折纸的长久热爱转化为一个严谨的结构工程项目，测试了数十种折叠设计，这给评委留下了深刻印象。此外，Miles Wu在团队挑战中表现出的创造力、领导力和协作能力也让他脱颖而出，他曾运用折纸原理为一个可移动的蟹爪制作组件。



　　普林斯顿大学的工程师Glaucio H. Paulino研究折纸技术如何将扁平材料转化为具有可编程机械行为的动态结构，他认为Miles Wu的项目是一次出色的参数化探索，展示了如何将几何形状转化为结构特性。他的研究结果表明，通过调整三浦折叠的单元尺寸和折叠角度，可以显著提高强重比，这是工程师制造实用部署系统的重要指标之一。

　　不过，Glaucio H. Paulino也指出，要实现功能性的避难所还有很多工作要做。虽然将Miles Wu的研究从家庭实验扩大到实用的救灾避难所是可行的，但这涉及一系列工程要求。随着设计规模的扩大，Miles Wu需要考虑更厚的折纸方案，而且折纸的强度等特性并不会随规模线性增长，接头设计、材料缺陷和失稳变形等因素都会变得非常重要。真实的避难所需要应对多方向的负载和耐用性需求，这可能需要拱形结构和系统级的整合，而不仅仅是小规模的压缩测试。

　　Miles Wu深知自己的科学之旅才刚刚开始，他渴望继续研究折纸与科学领域的交叉点。他接下来的首要任务是开发一个真正的避难所原型，可能由单一的三浦折叠面弯曲成拱形，或者由多张折纸板组合成矩形或帐篷状结构。在正式行动前，他希望进一步测试图案在侧向压缩以及多方向受力下的强度，并探索不同折纸图案在其他场景下的应用可能。

美国中学生设计出承重自身万倍的折纸结构