折紙藝術(shù)中的科學(xué)靈感

方陵生

折紙藝術(shù)歷史悠久，但許多人可能不知道，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，折紙藝術(shù)在科學(xué)領(lǐng)域也大放異彩，研究人員從它身上獲得靈感，解決了一系列的科學(xué)難題。

可以“折疊”的蟑螂機(jī)器人

幾個(gè)世紀(jì)以來，藝術(shù)家們一直在研究這種被稱為折紙的藝術(shù)形式。近年來，一些科學(xué)家也開發(fā)了這種藝術(shù)形式在科學(xué)研究中的許多實(shí)際應(yīng)用。例如，龍卷風(fēng)、地震和爆炸事件過后，倒塌的建筑物廢墟下都有可能埋著被困者，救援人員在清理廢墟時(shí)要安全地找到幸存者很困難。但毫無疑問的是，廢墟殘骸中都會(huì)有一些小空間，它們可能很小，無法容納人類在其間活動(dòng)，然而足夠一些小型機(jī)器人在其間靈活地穿梭了。

這類救援機(jī)器人的體積一定要非常小。如果它們能像折紙作品那樣擠壓和彎曲折疊，就能夠通過更小的裂縫和間隙。事實(shí)上，研究人員研制出的靈巧型的機(jī)器人已經(jīng)可以做得非常小了。

幾年前，哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所的生物學(xué)家考希克·賈亞拉姆在讀研期間，和別人一起合作研發(fā)了一款可以在微小空間中移動(dòng)的蟑螂機(jī)器人，他們將它命名為“克拉姆”（CRAM）。CRAM是“有鉸接機(jī)構(gòu)的可壓縮機(jī)器人”的首字母縮寫詞，意思是它擁有可彎曲的關(guān)節(jié)。奇妙的昆蟲世界激發(fā)了他的設(shè)計(jì)靈感，但這位生物學(xué)家在機(jī)器人技術(shù)、折紙藝術(shù)和數(shù)學(xué)上的造詣對(duì)他的研究更是大有裨益。他說：“我們將物理學(xué)和數(shù)學(xué)結(jié)合起來，研究如何讓機(jī)器人做我們想要它做的事情?！彼Ｍ谐蝗漳芡ㄟ^這種可折疊的機(jī)器人找到災(zāi)難過后廢墟中的幸存者。

自折疊聚合物中的折紙藝術(shù)

布蘭迪·肖是一名化學(xué)工程師。她和她所在的研究團(tuán)隊(duì)從折紙藝術(shù)中汲取靈感，用塑料或其他聚合物制成的薄片，設(shè)計(jì)出一種可控的、多步驟的自動(dòng)折疊過程，以形成需要的某種形狀。不久前，在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一篇論文中描述了他們的方法，最初的設(shè)計(jì)方案是將幾種顏色的油墨印在聚合物上，用這些印刷線構(gòu)成相當(dāng)于折紙上的折痕線，不同的墨水對(duì)不同顏色的光會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)。

藍(lán)綠色的墨水在660納米的波長下能吸收大約80%的紅光，而黃色墨水幾乎不吸收紅光。于是，藍(lán)色“折痕”會(huì)在對(duì)紅光做出反應(yīng)時(shí)折疊，而黃色“折痕”不會(huì)受到影響。但當(dāng)470納米的藍(lán)光照射到聚合物上時(shí)，情況則正好相反。

通過將聚合物薄片暴露在不同顏色和不同時(shí)長的光照下，研究團(tuán)隊(duì)可以控制每一次的折疊形態(tài)。當(dāng)聚合物的某道“折痕”吸收某種顏色的光時(shí)，這部分聚合物的溫度會(huì)升高，結(jié)果就是那部分聚合物收縮并向內(nèi)折疊，折疊多少取決于印刷在聚合物上“折痕”的寬度。研究人員使用不同波長的光，可將聚合物薄片折疊成花朵和其他三維形狀。

這種控制方法在聚合物折疊中很有價(jià)值。因?yàn)檫@種用燈光控制折疊的過程不僅僅是為了好玩，未來有一天它可能被用來制造各種醫(yī)療器械和設(shè)備，或者讓產(chǎn)品運(yùn)輸更便捷，以這種方式制造的產(chǎn)品可以方便地折疊起來，然后在目的地重新組裝起來。但是，如果研究人員不能控制部件的組裝順序，許多的應(yīng)用也就無法成功。

骨骼修復(fù)“折紙”術(shù)

和布蘭迪·肖一樣，馬薩諸塞大學(xué)的古爾登·卡西努納爾也是一名化學(xué)工程師，但與肖不同的是，她從事的是生物材料的開發(fā)，因此她用來創(chuàng)作“折紙”作品的“道具”不是光線，而是紙和骨細(xì)胞。她在手工折成的紙上培育一種叫做“成骨細(xì)胞”的細(xì)胞，在它們生長的過程中，這些骨骼細(xì)胞會(huì)將一些礦物質(zhì)沉積在紙上。有一天，她創(chuàng)造的“折紙作品”可能被用來修復(fù)，甚至再生骨骼、心肌、血管、皮膚等等。

她的研究表明，這種植入物不大會(huì)受到人體免疫系統(tǒng)的排斥，因此她希望未來可以利用這些紙與細(xì)胞結(jié)合的“折紙作品”作為骨骼修復(fù)等的植入物。然而，在利用這一技術(shù)幫助患者之前，他們還需要解決更多的問題。例如，如何使植入物的紙質(zhì)部分更為堅(jiān)固，植入物的骨質(zhì)部分在體內(nèi)就位后紙質(zhì)部分在體內(nèi)如何分解等。

在未來，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的骨頭可以用來修復(fù)或替換受損的骨頭，還可以用來幫助骨骼發(fā)育異常的患者。這種方法對(duì)于大小和形狀不規(guī)則的骨缺損患者很有效。她還通過數(shù)學(xué)計(jì)算對(duì)材料的某些特性進(jìn)行評(píng)估，例如，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的骨骼的強(qiáng)壯程度，以及分解速度等。

從賈亞拉姆研發(fā)的可“折疊”的蟑螂機(jī)器人，到布蘭迪的自折疊聚合物，再到卡西努納爾的骨骼修復(fù)“折紙”術(shù)，這些科學(xué)家的靈感都來自于折紙藝術(shù)。

卡西努納爾建議想要從折紙藝術(shù)中汲取科學(xué)靈感的人，要“保持好奇心，探索不同的課題”。她認(rèn)為，人們首先要“弄清楚自己的興趣所在”，然后再利用一切機(jī)會(huì)，讓自己充分了解折紙藝術(shù)所涉及的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域。