美國中學生設計出承重自身萬倍的折紙結構

2026-02-20 | 來源: 煎蛋網 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

坐在紐約市家中的客廳裡，14歲的Miles Wu驚訝地發現，一張折成三浦折疊樣式的普通紙片，竟然能承受自身重量10000倍的重量。為了尋找一種能在自然災害等緊急情況下用於構建便攜式避難所的技術，Miles Wu投入了超過250小時，勤奮地設計、折疊並測試了大量這種由平行四邊形組成的鑲嵌圖案，這種圖案可以一舉完成折疊或展開。

Miles Wu目前是紐約市亨特學院中學的九年級學生，他對這些簡單的紙片所能承受的重量感到非常震撼。他一直對古老的折紙藝術很感興趣，大約6年前開始將其作為一種愛好，但在2024年，他開始超越折紙的藝術屬性，探索其作為科學研究的潛力，閱讀了許多關於不同幾何折紙如何應用於科學、技術、工程和數學領域及其物理特性的資料。

雖然折紙藝術已有幾個世紀的歷史，但直到1960年代，工程、醫學、數學和建築領域才對其產生了深厚興趣。從那時起，折紙已被用於生物醫學設備的設計，例如支架和導管，以及自動組裝機器人。Miles Wu尤其對三浦折疊感興趣，這種折疊法由日本天體物理學家Koryo Miura發明，因其在航空航天工程中的應用而聞名，曾被用於制作航天器和衛星的太陽能電池板，最早的應用案例之一是1995年日本發射的一顆衛星。

Miles Wu解釋說，這種褶皺和角度組成的圖案可以折疊成非常扁平、緊湊的形狀，這非常酷。當颶風海倫在佛羅裡達州登陸，南加州山火蔓延時，他想到這些既堅固又可折疊的圖案或許可以像帳篷一樣，用作自然災害中的緊急避難所。他注意到，現有的避難所結構往往難以同時滿足堅固、易於部署和成本低廉這三個條件，但在颶風或山火等緊急情況下，理想的避難所需要能快速生產、輕松搭建並能抵御嚴酷的天氣環境。

為了驗證這個想法是否可行，Miles Wu開始測試折疊圖案的強重比，即它們能承受的重量與自身重量的比例。他先用電腦程序繪制了三浦折疊的不同變體，通過調整高度、寬度和平行四邊形的角度作為變量。他使用了復印紙、輕質卡紙和重質卡紙這三種紙張，對54個不同變體進行了108次試驗，每個變體折疊兩個樣本。為了減少人為誤差，他使用壓痕機來精確折疊這些圖案，然後將每個面積為64平方英寸的圖案放置在間隔5英寸的護欄之間，不斷增加重物直到圖案破裂。

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Miles Wu把家中小小的客廳變成了私人實驗室。實驗剛開始時，他以為最堅固的三浦折疊結構只能承受約50磅的重量，用家裡的教科書就能壓塌。但令他驚訝的是，這些圖案承受了高達200磅的重量，家裡的書本、鑄鐵鍋和其他重物根本不足以測出它的極限強度，他最後不得不讓父母買了50磅重的健身啞鈴來進行測試。

他測試的最強三浦折疊結構能支撐超過其自身重量10000倍的重量。Miles Wu興奮地形容，這個比例相當於一輛紐約市的出租車支撐著超過4000頭大象的重量。這項創新讓他贏得了2025年賽默飛世爾科技青少年創新者挑戰賽的25000美元最高獎金。該賽事由科學學會自1999年起舉辦，是美國領先的初中生科學競賽，Miles Wu是從華盛頓特區決賽圈的30名選手中脫穎而出的佼佼者。

科學學會主席兼首席執行官、Science News的執行出版人Maya Ajmera表示，他們一直在尋找未來的科學領袖，而Miles Wu是頭獎獲得者。評委們尤其被那些植根於個人經歷並能產生社區影響的項目所打動，Miles Wu將對折紙的長久熱愛轉化為一個嚴謹的結構工程項目，測試了數十種折疊設計，這給評委留下了深刻印象。此外，Miles Wu在團隊挑戰中表現出的創造力、領導力和協作能力也讓他脫穎而出，他曾運用折紙原理為一個可移動的蟹爪制作組件。