紙藝魔術(shù)球里的大學(xué)問

顧冰

不知看過日劇《深夜食堂》的觀眾，對(duì)劇中的芥末年越蕎麥面是否有印象。面條最早起源于中國，至今已有四千多年的歷史。大家可能也知道面條的制作過程，從揉面到制成面條，要經(jīng)過多道工序，非常講究。但你是否想過這樣一個(gè)問題——面條為何會(huì)被拉長拉細(xì)，而不是因受拉而膨脹呢？可能有的讀者會(huì)覺得這個(gè)問題非常荒謬，但確實(shí)存在能夠受拉膨脹的物質(zhì)——拉脹材料。

拉脹材料是一種具有負(fù)泊松比，能夠受拉膨脹、受壓收縮的新型材料。泊松比是指材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對(duì)值的比值，也叫橫向變形系數(shù)，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。將拉脹材料橫向拉伸時(shí)縱向會(huì)膨脹，橫向擠壓時(shí)縱向會(huì)收縮。

拉脹材料在軍事、航天航空、汽車、船舶、醫(yī)療、體育用品等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。比如，我們可以用它來制造醫(yī)療器械——心臟支架。支架由于需要植入人體血管，因此其收縮時(shí)體積應(yīng)盡可能小，以期順利通過動(dòng)脈血管。此外，拉脹材料比普通材料具有更好的抗沖擊性。2017年，仿生學(xué)研究項(xiàng)目BISS（Bio-Inspired Safety System）的研究團(tuán)隊(duì)從柚子身上獲得靈感，研制出了防護(hù)性能提升20%的新型材料，可用于制造防護(hù)服、頭盔等保護(hù)裝置。柚子即使從高處墜落也不會(huì)摔裂，果肉也幾乎不會(huì)受到損傷。這是因?yàn)槌史涓C狀的柚子皮具有很好的抗沖擊性，且自重很輕，相當(dāng)于自帶減震效果，因此可以起到很好的保護(hù)作用。柚子皮的結(jié)構(gòu)在材料學(xué)中被稱為“拉脹材料”。這種材料應(yīng)對(duì)壓力的方式與傳統(tǒng)材料完全不同。在壓力點(diǎn)之下，傳統(tǒng)材料受壓會(huì)塌陷變薄，而拉脹材料則會(huì)壓縮硬化。所以，拉脹材料在拉伸時(shí)會(huì)變得更厚，而不是更薄。

拉脹材料的設(shè)計(jì)靈感源于折紙藝術(shù)，比如紙藝魔術(shù)球。通過不斷地山折和谷折，我們可以折出一個(gè)能夠形變的魔術(shù)球，其橫向受到擠壓時(shí)縱向也會(huì)收縮。因此，紙藝魔術(shù)球呈現(xiàn)出了負(fù)泊松比的幾何模式。這一模式后來也演變成了拉脹材料最經(jīng)典的設(shè)計(jì)方案。下面，我們就來教大家動(dòng)手制作一個(gè)紙藝魔術(shù)球。