工程师利用古老的折纸艺术解决非常现代的航空航天问题

如果您曾经折过纸鹤，利用折叠和折痕将方形工艺纸变成精致的长颈鸟，那么您可能会觉得奇怪，同样的折叠技术被用来开发现代技术最先进的领域之一所使用的结构：太空任务。

然而，航天工程师们已经转向千年的折纸艺术来解决一个严重的难题：如何将大型结构（如可以阻挡星光的盾牌和可以帮助推动宇宙飞船的帆）装入运载这些结构进入太空的明显较小的火箭中？虽然每个结构的尺寸各不相同，但想象一下你试图将一把直径 28 米（大约篮球场的长度）的沙滩伞塞进一辆小型货车。

找出这个问题的答案对于未来的太空任务至关重要，这些任务有朝一日将搜寻类似地球的系外行星，而航天器将利用雷达遥感更好地测量地球系统。而利用折纸原理寻找这一问题潜在解决方案的先驱是航天工程师 Manan Arya。

“当我们谈论大型片状结构时，斯坦福变形空间结构实验室负责人阿里亚说：“它们看起来像是大而薄的材料片，或者航天器的天线反射器。所以很自然地会想到，‘哦，我们把折痕弄出来了，我们到处都弄了折痕。’”

Arya 表示，过去 30 年来，数学家和物理学家对折纸的兴趣越来越浓厚，尤其是对折叠薄片状材料的力学原理的了解。Arya 解释说，折纸提出了许多有关几何、折叠图案以及折叠和揉皱纸张等片状材料的力学问题。“其中许多问题已被数学家和物理学家解决，但许多引人入胜的问题仍未得到解决。”

他们并不是唯一体验到折纸魅力的人。“在过去的 20 年左右，”他说，“越来越多的工程师开始采用这些数学和物理理念，并将其应用于制造产品。”

艾瑞亚在多伦多大学读本科时就开始涉足这个领域，当时他正在研究太阳帆。太阳帆是一种非常薄的帆，利用太阳辐射推动小型航天器，使航天器无需携带重型推进剂。为了捕获尽可能多的辐射，这些太阳帆非常巨大，最大可达 20×20 米，而航天器本身只有一条面包那么大。艾瑞亚说：“很快，我就转向了如何将这些帆装入航天器的问题。”“最终，这个问题变得非常有趣，我们如何包装它，如何折叠它，这就是我开始折纸的原因。”

Arya 于 2011 年毕业于多伦多大学，并于 2016 年获得加州理工学院博士学位。在今年早些时候来到斯坦福大学之前，他将自己对折纸的兴趣带到了加州理工学院的喷气推进实验室。在那里，他设计并测试了受折纸启发的折叠方案，以帮助解决航空航天工程领域的一项重大挑战：寻找类似地球的系外行星。

寻找这样的系外行星是 NASA 探索的一个关键领域，但 Arya 表示，寻找这些行星“就像试图拍摄在探照灯旁盘旋的萤火虫一样困难”。这些系外行星所围绕的恒星比行星本身亮 10 亿至 100 亿倍，因此即使是最强大的望远镜也难以捕捉到它们相对微弱的光芒。（据 Arya 称，如果你算一下，拍摄萤火虫的照片要容易一千倍。）

解决这一挑战的一个可能方法是制造一种名为“遮星板”的装置，它本质上是一个大圆盘，可以制造一种人工日食，将星光抑制 100 亿倍，让科学家最终看到他们正在寻找的系外行星。Arya 的遮星板模型是亮金色的，反光的，螺旋展开就像一朵盛开的花朵。完全展开后，Arya 的遮星板直径为 26 米，大约相当于一个篮球场的长度，设计为可装入一个高约 2 米、直径约 2.5 米的圆柱体中。

但尽管它看起来优雅且视觉冲击力十足，他说它还没有完全准备好投入使用。“Starshade 目前的版本还不能飞行。我们仍然非常”Arya 说。他解释说，这是因为 NASA 希望新技术在被纳入到。Starshade 的级别介于 TRL4 和 TRL5 之间，这意味着它需要进行更多的测试和分析才能达到 TRL6，届时 NASA 才会开始为太空任务做准备。

最近，Arya 对折纸产生了兴趣，这种折纸不是从一张简单的平面纸开始的，而是更像折叠一大片甘蓝菜。“它很花哨，上面有很多褶皱；你永远无法压平那片甘蓝菜，”Arya 解释道。褶皱增加了航天器结构的强度和稳定性，使它们能够承担额外的功能，例如承重，而这些功能是薄片状材料无法实现的。对于 Arya 来说，这带来了一系列新的挑战：如何将为平面纸开发的折纸规则应用于非平面物体？

在折纸纯粹主义者看来，这似乎是一种过度的折法。传统的艺术爱好者希望每张纸都能图案从一张纸开始，没有裁剪，没有将多张纸粘在一起。但当 Arya 进入包装羽衣甘蓝状空间结构的领域时，他知道他必须打破这一基本规则。“我们是工程师，对吧？我们可以裁剪。我们可以粘上更多的纸或将多张纸叠在一起。这会产生有趣的行为，有趣的机制，对工程师很有用。”

事实上，随着规则被打破和改变，变形空间结构的解决方案数量也在不断增加。“设计空间是无限的，”Arya 说。