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物理學家辭掉NASA工作玩摺紙,一不小心解決了衛星上天的難題

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你能相信嗎,有一位物理學家放棄了在NASA(美國國家航空航天局)十三年優越的工作,甘願跑去玩摺紙。

可是,他不僅將摺紙玩出了歷史新高度,還用摺紙原理解決了太空難題,可謂是真正玩摺紙上了天。

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羅伯特·J·朗出生在美國俄亥俄州的一個普通家庭裡。

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6歲那年,他就被摺紙書所吸引,照著它來用紙製作玩具。到了10歲,他不僅將書裡的模型折了個遍,還開始自己想辦法折書上沒有的東西。

中學時代,他仍對瘋狂迷戀摺紙,幸好這完全沒有影響到學業。

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他一路過關斬將考上了著名的斯坦福大學。優秀的成績讓羅伯特得以繼續攻讀碩博士。期間,他一方面要堅持摺紙練習,另一方面還要兼顧學業。

他創作了近百件複雜而精妙的摺紙作品,比如需要數百次折疊的海龜。

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在進行博士後研究的期間,他十分鍾愛一種叫布穀鳥的鐘,並發誓自己要用紙疊出一個來。

經典摺紙有一個最基本的要求就是,使用一張紙,不許將它剪開或撕裂。

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羅伯特·J·朗

這看似簡單的規律卻很難適用於鍾的折疊。

但他毫不氣餒,根據自己已有的經驗,整整花了三個月的時間去構思輪廓和疊法。在他嘗試無數次之後,終於一口氣花了六個小時將它折了出來。

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左:羅伯特摺紙的,右:布穀鳥鐘實物

這個無論從鐘擺、松果和鹿頭都看上去跟實物神似的紙布穀鳥鐘讓他一舉成名。

不過,那時對他來說,摺紙只是一個興趣愛好而已,還沒有辦法養活自己和家人。所以,儘管在摺紙界小有名氣,他仍選擇去NASA 從事有好收入的工作。

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之後,他成為了一名NASA 噴氣推進實驗室的激光物理學家和研究員。在NASA 工作期間,羅伯特陸續發表了80多篇物理學的論文。

同時,他在半導體激光器、光學,以及集成光電子學等領域有46項專利,並成為了美國數學學會的成員。

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NASA噴氣推進實驗室

但與此同時,他也越來越深愛摺紙,這也讓他越發痛苦。經過一番選擇後,羅伯特放棄了他在NASA 的事業。

認識他的人都不敢相信他放棄瞭如此難得的工作。但比起物理研究,他的人生追求其實是摺紙,而且是利用高科技的摺紙。

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但千萬別小看摺紙藝術,實際上把它叫做“摺紙科技”更合適。

早在8世紀,歐洲的科學家就開始嘗試將幾何學原理應用到摺紙當中。但直到20世紀中葉,摺紙愛好者們仍舊只能重複折疊早已存在的一百多種經典作品,摺紙的技術一直停滯不前。

直到日本有一個叫吉澤章的摺紙藝術家出現,他運用新技術創作出了創意滿滿的摺紙作品。

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現代摺紙之父吉澤章

這使得摺紙的熱潮空前高漲,許多國家都成立了自己的摺紙協會。許多摺紙愛好者開始運用解析抽象幾何、微積分等數學知識來解決摺紙當中遇到的問題。

當然,羅伯特也不例外,他放棄NASA 的工作後也開始專注將摺紙與數學聯繫在一起進行創作。

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在羅伯特的努力下摺紙技術有了新的突破,他和吉澤章各自獨立開創了一種革命性的摺紙法,稱之為“圓河包裝”。

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在此之前,關於如何折疊出逼真的昆蟲腿部、翅膀和触角的問題一直困擾著摺紙大師們。

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用圓河包裝折法設計的蝎子(左)和折法(右),因為這種折法需要繪製一些圓和一些條狀物,因此叫做圓河包裝

羅伯特和吉澤章的圓河包裝折法能讓圓角包入方形里而無需經歷折疊,這種方法可以逼真地模擬出生物的外形。這個曾經令摺紙大師們苦思冥想的問題被羅伯特輕而易舉地化解了。

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羅伯特還利用自己的數學知識,開發出了用於製作複雜設計的計算機摺紙程序, 被稱為TreeMake。

作為一款數學摺紙的軟件,它主要分為兩部分:首先它可以根據你的目標輸出摺痕,這些摺痕也是作品成敗的關鍵。

其次,這個程序還可以在第一步的基礎上計算出每道摺痕正確的折疊順序。

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羅伯特靠著自己的摺紙技能和計算程序,能在無需借助任何其他輔助工具的情況下在一張紙上折出史無前例的形狀。

迄今為止,羅伯特已經創造了超過649個複雜的新摺紙模型,比如海龜、猛禽、響尾蛇和爆米花大小的蝨子。

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羅伯特摺紙的作品

不只如此,羅伯特還利用摺紙技術去幫助其他科學領域的發展。

在這之前,NASA 想給衛星配上太陽能板,但是想要往太空“運貨”,物品的體積和重量都有嚴格要求。就算太陽能電池板已經使用了一些手風琴結構的設計,但它依舊不能夠在更小的空間內裝入更大的表面面積。

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太陽能板小不了的死穴使研究一再陷入了困境。只有想方設法把它折疊成小巧的樣子,才能夠衝出瓶頸。

NASA 工作人員提出了一個方案:先將太陽能板折疊起來,用運載工具運到太空後,再把它打開。

但怎麼折疊呢?如何保證打開後太陽板的表現不會大打折扣呢?他們對此一頭霧水,這時候就輪到羅伯特大顯身手了。

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羅伯特根據自己的經驗和在摺紙方面的手藝,成功設計出了一款可以折疊的太陽能板。

它不僅在運輸的時候能折疊成小巧的樣子,而且具有很大的表面積。同時它還能在發射的時候纏繞在衛星上,它的展開也不需要宇航員的協助。

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折疊的太陽能板

羅伯特還認為,摺紙理論可以應用到現今的汽車安全、建築學、機器人生產,製造甚至醫藥等領域。

在實際應用方面,他做出了很大貢獻。比如用摺紙來實現機械手的操作、血管支架的折疊、以及汽車安全氣囊的折疊等。

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展開的太陽能板

羅伯特在一次TED 演講中坦言,最初他用數學做摺紙,只是想做一些更好看好玩的東西,但不經意間居然還能解決現實世界中的難題。

當初放棄NASA 成為獨立的摺紙藝術家之時,幾乎任何人都不看好他的選擇。

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令羅伯特做夢都不會想到的是,現在僅僅在美國就有十幾個由聯邦政府撥款的摺紙工業應用研究項目,有近四十位大學摺紙教授以及無數以此為專業的學生。

他們都相信,諸如汽車安全、太空科技、建築學、機器人技術、製造業和醫藥業等許多領域中的難題,都能在摺紙這種傳統藝術中找到解決方案。

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就比如在太空技術上,即便馬斯克成功發射了重載火箭,但將許多東西運送到太空仍非易事。它們往往因為體積太大靈活性不足而遭遇重重阻礙,尤其是機器人。

不過在2017年, NASA 就研發出了一種體積很小但卻十分靈活的探索機器人。

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PUFFER機器人

它可以折成巴掌大的樣子,能夠被非常輕易地放入大型航天器中運載到外星球。與此同時,它又能在狹小或環境惡劣的空間中來去自如,並執行探索任務。

這款被命名為PUFFER 的機器人的設計靈感也正是來自於摺紙。

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PUFFER的機器人

誰也沒想到,已成為許多人童年回憶的摺紙,竟能解決工業領域的種種難題。作為摺紙技術先驅的羅伯特,當年也只是單純地想用自己的專業來進一步讓自己的愛好變得更有趣。

不曾想,在將摺紙玩到極致的同時,他也完成了許多不可思議的事情。一直以來,很多人說玩物喪志,卻忘記了玩物亦可養志。

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via  toutiao

 

 

https://www.toutiao.com/i6530238070002811406/

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