折纸如何激发改变世界的技术

虽然折纸的风格可以是令人难以置信的多样化，但这种艺术植根于数学原理，使其适用于科学和工业。

将二维结构折叠成复杂而紧凑的三维形状的能力对空间科学和任务尤其有价值，因为在太空科学和任务中，保持较小的有效载荷是值得的。

卫星上的面板阵列必须折叠成紧凑的形式，以便将它们装入相对狭窄的火箭中，并且只有在火箭发射到外太空时才能展开形成大的平面。人们认为，第一个折纸太阳能电池阵列是装在1995年发射的日本宇宙飞船上的。这是用三浦折叠完成的，这是一种将平面折叠成更小面积的方法，以天体物理学家三浦高丽的名字命名。三浦折纸是刚性折纸的一种形式，其中材料只在预先指定的折线处弯曲，三浦折纸的折痕图通过平行四边形形成曲面的镶嵌。

美国国家航空航天局喷气推进实验室的科学家们正在将折纸技术用于类似的用途，通过开发“遮星罩”来帮助捕捉太阳系外行星的图像，这是一种用于太空望远镜的防护罩。

星光可以阻止太空望远镜成像系外行星反射的低强度光。就像我们把手放在脸前一臂的距离来保护眼睛不受太阳光的照射一样，这种新设备可以保护望远镜的相机不受遥远恒星光线的照射。这一概念被称为类地系外行星混合天文台。Starshade在太空望远镜前飞行数万公里，它的精确设计可以阻挡来自恒星的光线，这样望远镜就可以捕捉到恒星周围行星的图像。

拟议星伞的向日葵形状的遮阳被设计为直径36米，但在装载发射时必须折叠到直径小于2.5米。折纸的概念已被用来帮助工作的stow模式。专家们开发了一种算法，允许他们输入规格，按下enter键并创建一个新的模式，而不必制作模型并一遍又一遍地重新制作。

Starshade仍在开发中，细节还远未确定，但你可以按照喷气推进实验室网站上的说明，自己制作Starshade内部圆盘光学屏蔽的纸折纸模型。

来自折纸的概念正在塑造医学研究和医疗设备的创造。剑桥大学错误折叠疾病中心的研究人员，包括祖父死于阿尔茨海默病的博士候选人Ryan Geiser，正在使用人工智能(AI)来更好地理解蛋白质的折叠和错误折叠，这可能会解开阿尔茨海默病的秘密。

这种使人衰弱的疾病影响着全球约5700万人。根据一种主要的假设，它是由脑细胞内外蛋白质的异常错误折叠或堆积引起的。这种积聚导致神经递质减少，随着时间的推移，导致大脑不同区域萎缩，带来毁灭性的后果。

Geiser发现将蛋白质折叠与折纸进行比较很有帮助。他解释说:“就像纸必须折叠成特定的结构才能形成特定的折纸形状一样，在细胞中，蛋白质应该以特定的方式折叠，因此每种蛋白质都可以执行特定的功能，蛋白质内的粘性点将结构固定在适当的位置。”阿尔茨海默病是在大脑中的一些蛋白质折叠不正确，导致粘点暴露在蛋白质之外之后发生的。这些有毒物质会损害细胞壁，并产生级联反应，将其他蛋白质聚集在一起，导致营养物质积聚，阻止营养物质到达神经元。“没有这些营养物质，以及随之而来的问题，脑细胞就会被破坏。”

Geiser正在使用研究数据和人工智能来确定现有的药物，这些药物可能能够减缓或阻止阿尔茨海默病的进展。到目前为止，他的团队已经确定了四种钙通道阻滞剂药物，这些药物有可能被重新用于治疗痴呆症，而这只是一个开始。

Geiser说:“许多计算模型正在试图理解‘折纸’结构，随着计算能力的提高，这可能会变得更容易实现。”再加上DeepMind (Alphabet的子公司)发布的AlphaFold蛋白质结构数据库(AlphaFold Protein Structure Database)等进步，该数据库与研究人员共享科学界已知的几乎所有已编目蛋白质的预测结构，很可能很快就会揭示疾病背后的更多奥秘。

折纸的概念也可以用于开发医疗设备。设计从紧凑的形式开始，然后转变为功能形式，从而实现侵入性更小的治疗交付方法，其中医疗设备通过身体到达以前无法到达的区域。例如，牛津大学的研究人员开发了一种新型的心脏主动脉支架来治疗动脉瘤，据报道，这种支架的灵感来自于折纸水弹。折纸的影响可以在广泛的医疗设备中看到，从x射线防护罩到无绳微型夹持器。

蒙彼利埃大学(University of Montpellier)结构生物学中心的科学家们利用DNA折纸方法构建了一个微型机器人，用于研究在微观水平上施加的机械力，这对许多生物和病理过程至关重要。该方法使用DNA分子作为构建材料，以预先定义的形式实现3D纳米结构的自组装。

研究人员设计了一种由三个DNA折纸结构组成的人体细胞大小的“纳米机器人”，使其首次能够应用和控制分辨率为1皮牛顿的力，这是一牛顿的万亿分之一，或大约是手指敲击钢笔的万亿分之一。研究小组首先将机器人与一种能识别机械感受器的分子结合起来，这使得机器人可以引导到一些细胞上，并对细胞表面的目标机械感受器施加力，以激活它们。

这是人类制造的、自我组装的基于dna的物体第一次能如此精确地施加力。该工具对研究很有价值，因为它可以用于更好地理解细胞力学敏感性所涉及的分子机制，其功能障碍涉及许多疾病，包括癌症。

折纸也可以用于家具、建筑物和基础设施等大型物体。来自佐治亚理工学院、伊利诺伊大学香槟分校和东京大学的研究人员开发了一种“拉链管”折纸结构，使纸张结构足够坚硬以承受重量，同时仍然能够折叠平，便于运输和储存。研究人员使用Miura-Ori折法来精确地折出锯齿状的纸条，然后把两条纸条粘在一起制成一个管子。虽然单条纸具有很高的柔韧性，但纸筒更硬，不会向多个方向折叠。他们希望他们的方法能应用于其他薄材料，如塑料或金属，来制造家具或建筑物。

广岛大学的Ichiro Ario在2015年测试了一个折纸灵感的移动桥4.0版本(MB4.0)，他设计的目的是帮助向永久性基础设施被摧毁的灾区运送援助。它的剪刀式设计依靠“X”形来保持强度，同时在现有桥梁和接入点受损的地区迅速部署。测试结果显示，它可以在一个小时内组装好，而实际的桥梁扩建只需要5分钟。

佐治亚理工学院的研究人员正在探索一种新型的折纸和kirigami启发的柔性轻质结构是否能适应不断变化的环境条件。(Kirigami是指剪纸和折叠。)他们希望这些材料有一天能被广泛应用，从多功能机器人和可折叠天线，到快速组装的桥梁和充气避难所等临时结构。

工程师们还从折纸艺术中获得灵感，创造出可编程的表面，这样它们的尺寸和相应的属性可以根据需要改变。例如，他们的技术有一天可以应用于航空航天和建筑。

为了创造这种结构，一个国际研究团队从四个风筝形状的细胞开始，或称为菱形。每个菱形沿两侧与其他两个菱形相连，每个菱形的尾端是自由的。连接的两侧以特殊的方式铰接，因此每个单元格可以通过各种形式点击，从宽篮子到薄折叠。这意味着它们可以组合成各种各样的表面，当细胞被调整时，表面的压缩性、柔韧性和密度都可以改变。

这项技术利用了一种物理学家称之为“挫折”的现象。在几何中，挫折是一种阻止图案在广阔空间中传播的特征，就像雪地里的锯齿状岩石一样。有了这种可调节的细胞，研究人员可以在结构中引入挫折。他们用这个来改变表面的性质。他们可以在广阔的区域和小点上这样做。

研究人员可以使用这些设计的挫折来精确地改变表面的模式，通过这样做，他们可以调整表面的性质。研究人员之一、东京大学(University of Tokyo)教授泷知宏(Tomohiro Tachi)说:“通常，一个折纸图案有一个特定的力学性能。”“这种结构可以在具有不同属性的多个状态之间切换。它是编程和重编程材料的通用模块，具有多种属性。”

折纸已经在改变太空旅行和医学，但将人工智能应用于这种艺术形式可能会带来更多突破。

虽然计算机已经被用于帮助开发折叠结构，但仅仅通过观察很难预测3D折纸设计是否能有效地平化，并且没有任何损坏。但是UvA物理研究所和AMOLF研究所的新工作已经证明，机器学习算法可以准确地做到这一点，或者用更专业的术语来说，它是否可以预测组合机械超材料的特性。

人工智能应该通过减少耗时的试验和错误的需要，使设计新的超材料变得更容易。研究小组发现，即使只有相对较小的样本集可供学习，所谓的卷积神经网络也能够准确预测任何构造块配置的超材料属性，直至最精细的细节。

“这远远超出了我们的预期，”领导这项研究的博士生瑞安·范·马斯特里特说。“预测的准确性向我们表明，神经网络实际上已经学习了超材料特性背后的数学规则，即使我们自己不知道所有的规则。”

这表明工程师可以利用人工智能来设计具有有用属性的新型复杂超材料，这可以使从微型折叠医疗设备到巨大的易于组装的临时基础设施成为现实。

我们只能静观其变。