嗦完的吸管不要扔,集齐6根可以召唤NASA机器人。这是2015年和2016年的火人节大会上,艺术家buchananwp制造的成人玩具。NASA就用这种设计做了一个机器人出来。我们今天就来学怎么做。
关键概念是张拉整体。材料和操作需要6根吸管(或中空木棍)、十来根橡皮筋、剪刀、胶带纸。我们制造的这种好玩的玩具,属于一类叫做张拉整体(Tensegrity)的建筑结构。
张拉整体这个名词是美国建筑师和发明家巴克敏斯特·富勒在1961年提出的。张拉整体是一种利用材料张力,将互不接触的刚性物体结合起来的结构。从功能上来看,张拉整体虽然有棱有角,但却具有弹性,就像气球一样。但同时,它们又不像气球那样“毫无骨气”,反而非常稳固,刚柔并济。
张拉整体和用使用压缩力的传统建筑结构(如拱桥)不同,张拉整体利用柔性材料提供的张力支撑整体。1968年,美国建筑师Kenneth Snelson设计的张拉整体装置Needle Tower,位于华盛顿的赫希洪博物馆和雕塑园。2009年10月落成的澳大利亚昆士兰州布里斯班河上的库利尔帕桥就是一类张拉整体。1988年首尔奥运会的体操馆,以及1996年亚特兰大奥运会的乔治亚巨蛋的穹顶也属于张拉整体流派的。
生物也能制造张拉整体。比如,蜘蛛的网是一种张拉整体结构。金丝蜘蛛的蛛网上有一种用蛛丝钩织的长方形的硬板,这些板充当了张拉结构中的刚体(如果我们实验中的棍子),附近的蛛丝则提供了张力。生物体内也有不少张拉整体。最常见的张拉整体,其实就是人体的骨骼。人类的骨骼之间以肌腱、肌肉和韧带相连,形成了一个个兼具强度和韧性的张拉整体。
细胞内的细胞骨架属于张拉整体。真核细胞并不像一个装满水不停晃荡的袋子,而具有精细复杂的内部结构。维持细胞形态的,就是由蛋白纤维构成的细胞骨架。因为细胞骨架的存在,如果细胞没有和任何物体相连,它就会变成圆滚滚的形状。如果黏在坚硬的基质上,细胞就会变平拉伸。但是从基质上摘下来后,细胞又会弹回原本的形态。可见,细胞利用了细胞骨架的张拉整体来保持形态。
现在有不少研究发现,细胞骨架不仅有维持细胞形态的功能,还和癌症有关,因为细胞骨架是细胞器运动的参考依据,它的朝向会影响酶以及其他物质运输的走向。细胞骨架的张拉整体性质,或许和癌症息息相关。张拉整体得到了美国国家航空航天局(NASA)的关注,因为它们可以在缺乏重力的情况下维持形态。在太空中,像拱桥那样利用重力提供压缩力的结构是行不通的。
2018年,NASA埃姆斯研究中心和加利福尼亚大学圣迭戈分校制造的SUPERball V2机器人用的就是张拉整体的设计,6根铝制硬管之间以尼龙缆线连接,探测器放置在铝管两端。得益于张拉整体的物理特性,SUPERball V2很经摔,也很经打,还容易压缩折叠,是行星着陆器的备选设计。我们最后再来欣赏一组张拉整体设计吧。其实上面这些张拉整体都不算什么,最惊艳的还是这根普普通通的麻绳和塑料瓶的组合。
每次看见它,不知怎的就会想起明明很想整一根瘫倒在地上,但又被各科作业强行扶起来继续学的我。