邁入科學(xué)殿堂的折紙術(shù)

張唯誠

折紙，是一種大多數(shù)人都做過的手工。一張正方形的紙可折成一個(gè)簡單的盒子、一只紙鶴或者一條精致的龍。顧名思義，折紙的材料當(dāng)然應(yīng)該是紙。但是，在現(xiàn)代的折紙術(shù)中，“紙”是一種寬泛的概念，可以是DNA、金屬或是植物的葉子。折紙不僅是一種藝術(shù)形式，它還啟發(fā)科學(xué)家們?nèi)ソ鉀Q各種各樣的技術(shù)難題。來自于折紙的靈感正在催生科學(xué)殿堂中一項(xiàng)項(xiàng)令人驚嘆的創(chuàng)新。

折紙藝術(shù)家的日常

羅伯特·朗原來是一位物理學(xué)家和工程師，在美國國家航空航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室從事激光研究工作。他還是一名折紙藝術(shù)家，為了寫一本關(guān)于折紙的書，他辭去原來的工作，專心于折紙的研究。他參與了從外層空間太陽能電池陣列到醫(yī)用植入物的各種設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)的思想都來自于折紙產(chǎn)生的靈感。

作為一位折紙大師，朗以塑造非常復(fù)雜的作品而聞名。每一次折紙都是一個(gè)創(chuàng)造的過程。在折疊某種東西，例如昆蟲、青蛙或舞蹈者之前，朗通常要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)“折痕圖”，它就像折紙的“藍(lán)圖”。在折疊之前，朗對每個(gè)步驟和最終的成品都“心中有數(shù)”，他要把想法分解成一些形狀，這些形狀將最終組合在一起。例如，一只蝴蝶可能會(huì)被分解成翅膀、觸角等，然后他會(huì)思考怎樣的形狀最適合表現(xiàn)哪個(gè)部位，這需要幾何學(xué)的幫助。

為了給這種作品制作折痕圖，朗經(jīng)常求助于計(jì)算機(jī)程序，這是一種數(shù)學(xué)軟件。通過程序，朗用代碼描述形狀，這些形狀構(gòu)成他想要折疊的物體，而代碼的書寫則有賴于幾何和線性代數(shù)提供的知識。一旦有了代碼，電腦就能解決其中的任何數(shù)學(xué)問題，然后，計(jì)算機(jī)程序會(huì)為將要折疊的對象生成一個(gè)折痕圖。這樣，接下來的工作就不難完成了。

奇妙的自折疊

布蘭迪·肖是一位化學(xué)工程師。在北卡羅來納州立大學(xué)學(xué)習(xí)的時(shí)候，她參加了一個(gè)折紙研究團(tuán)隊(duì)，想做一種可自我折疊的東西，它們可以在可控的狀態(tài)下自動(dòng)形成理想的形狀。

首先，制作者要把幾種顏色的墨水印在一種聚合物上，那些印制的線條形成了“關(guān)節(jié)”，它們會(huì)對不同顏色的光做出反應(yīng)。例如，一種青色或者藍(lán)綠色的墨水能吸收大約80%的紅光，這種光的波長為660納米，而黃色墨水則幾乎不吸收紅光，結(jié)果是，青色的“關(guān)節(jié)”在紅光的作用下會(huì)發(fā)生折疊，而黃色的“關(guān)節(jié)”沒有反應(yīng)。當(dāng)470納米的藍(lán)光照射在這種聚合物上時(shí)，情況則顛倒過來，這時(shí)黃色“關(guān)節(jié)”發(fā)生折疊，青色“關(guān)節(jié)”則不反應(yīng)。

當(dāng)聚合物的某個(gè)“關(guān)節(jié)”吸收了某種顏色的光后會(huì)變熱，導(dǎo)致這部分聚合物收縮并向內(nèi)折疊，其折疊的程度取決于打印在聚合物上的“關(guān)節(jié)”擁有怎樣的寬度。

科學(xué)家們通過控制折疊的過程創(chuàng)造了很多東西，從嵌套的盒子到三維的花朵。這種折疊可不是為了好玩，而是可能被用來制造醫(yī)療設(shè)備，還可能被用來制造便于運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品。這種產(chǎn)品在運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候是壓扁了的，但一旦送到了顧客手中，光就可以把它們折疊成它應(yīng)該成為的樣子。這種產(chǎn)品很容易展開和重新組裝。

靈感的來源

和肖一樣，另一位折紙高手古爾登·考麥西-于納爾也是一位化學(xué)工程師，供職于馬薩諸塞大學(xué)。她所開發(fā)的生物材料將來有一天也許會(huì)被用來修復(fù)甚至再生骨骼、心肌、血管和皮膚等。

考麥西-于納爾在折紙材料上培植骨細(xì)胞，隨著骨細(xì)胞的生長，它們將礦物質(zhì)沉積在紙上。她希望依附于紙上的細(xì)胞能最終形成移植體，而這種植入物不太可能被人體的免疫系統(tǒng)所排斥。在這種技術(shù)成熟之前，人們還要做很多工作，例如怎樣使紙更堅(jiān)固，怎樣在骨頭就位后讓紙?jiān)谏眢w中自然分解等。

在未來，醫(yī)生們可以用這些在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)出來的部件替換受損的骨頭，也可以用它們治療骨骼發(fā)育異常的患者。

折紙為科學(xué)家和技術(shù)人員提供了取之不盡的創(chuàng)新思想和設(shè)計(jì)靈感，這是因?yàn)檎奂垍R集了寶貴的思考“沖擊力”，它們來自科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)，折紙的魅力緣自于多方面的結(jié)合。