一張看似普通的、表面布滿(mǎn)平行四邊形的紙張，在被拉動(dòng)對(duì)角邊緣的時(shí)候，會(huì)順暢地向四周擴(kuò)張成原本面積數(shù)倍的平面；而只需輕輕推擠，它又會(huì)沿著預(yù)設(shè)的路徑，回歸為一個(gè)厚度緊湊的矩形塊。

（來(lái)源：維基百科）

這種特殊的幾何構(gòu)型被稱(chēng)為“三浦折疊”（Miura-ori）。它由日本天體物理學(xué)家三浦公亮在 20 世紀(jì) 70 年代提出。從拓?fù)鋵W(xué)角度看，三浦折疊屬于一種特殊的剛性折疊，其核心邏輯在于利用一組平行且相互交錯(cuò)的山折（Mountain fold）與谷折（Valley fold），將平面劃分為無(wú)數(shù)個(gè)完全相同的平行四邊形單元。在變形過(guò)程中，除了折痕處的轉(zhuǎn)動(dòng)，每一個(gè)面片本身都不產(chǎn)生彎曲。這種“一拉即得”的聯(lián)動(dòng)性，以及展開(kāi)過(guò)程中的雙向擴(kuò)張?zhí)卣鳎挥糜诤娇蘸教?、超材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域，其最早的空間應(yīng)用之一是 1995 年發(fā)射的日本空間飛行單元衛(wèi)星。

日前，來(lái)自紐約的 14 歲華裔少年 Miles Wu 發(fā)現(xiàn)，一張簡(jiǎn)單的紙折疊成三浦折紙的形狀，竟然可以承受自身 1 萬(wàn)倍的重量。憑借該創(chuàng)新成果，他贏得了 2025 年“賽默飛科學(xué)青少年創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽”的冠軍，以及 2.5 萬(wàn)美元獎(jiǎng)金。該賽事由美國(guó)科學(xué)學(xué)會(huì)自 1999 年起主辦，是美國(guó)面向中學(xué)生的頂尖 STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）競(jìng)賽。

圖 | 項(xiàng)目海報(bào)（來(lái)源：科學(xué)學(xué)會(huì)）

Miles 的折紙之路始于 7 歲。那時(shí)，他只是喜歡折紙飛機(jī)和小動(dòng)物。但疫情期間，這個(gè)愛(ài)好開(kāi)始升級(jí)：他把家變成小型折紙工廠，親手折了 200 只精致的紙鴿子，全部賣(mài)掉后把錢(qián)捐給了野生鳥(niǎo)類(lèi)基金會(huì) Wild Bird Fund。他還參加過(guò)“Origami By Children”兒童折紙比賽，作品甚至被美國(guó)自然歷史博物館（AMNH）選為圣誕樹(shù)裝飾。

2024 年，他開(kāi)始探索折紙藝術(shù)除了作為一種創(chuàng)作方式之外的其他可能性?！拔议_(kāi)始閱讀有關(guān)不同類(lèi)型幾何折紙如何因其各種物理特性而被研究并應(yīng)用于 STEM 領(lǐng)域的資料。”

隨著他對(duì)幾何折紙?jiān)?STEM 領(lǐng)域應(yīng)用的深入閱讀，這種愛(ài)好演變成了科研探索。他察覺(jué)到，現(xiàn)有的災(zāi)害救援設(shè)施存在一個(gè)明顯的矛盾：足夠堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)往往沉重且難以運(yùn)輸，而輕便易拆裝的臨時(shí)帳篷又往往難以抵御極端的風(fēng)雨天氣。

為了解決這個(gè)痛點(diǎn)，Miles 將目光鎖定在了三浦折疊，這種結(jié)構(gòu)天然具備可折疊性與高強(qiáng)重比的雙重特點(diǎn)。

為了找到最堅(jiān)固的折疊方式，Miles 測(cè)試了折疊圖案的強(qiáng)重比（即它們能承受的重量與其自身重量之比）。他首先利用計(jì)算機(jī)程序繪制了 54 種三浦折疊的變體，設(shè)置的變量包括：平行四邊形的高度（1 英寸或 2 英寸）、寬度（0.5、1、2 英寸）以及折疊角度（45、60、75 度）；此外，使用了三種不同類(lèi)型的紙張（40lb 復(fù)印紙、65lb 輕卡紙和 110lb 重卡紙），針對(duì) 54 種不同的變體進(jìn)行了總計(jì) 108 次試驗(yàn)。

為了消除手工折疊帶來(lái)的微小應(yīng)力不均，Miles 使用了專(zhuān)業(yè)的壓痕機(jī)來(lái)確保折痕的絕對(duì)精準(zhǔn)。然后，將每一個(gè)表面積約為 64 平方英寸（約相當(dāng)于 A4 紙三分之二大?。┑募埰胖迷陂g隔 5 英寸的護(hù)欄之間，逐一增加負(fù)重，直至結(jié)構(gòu)損壞。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最強(qiáng)組合是 1 英寸高、0.5 英寸寬、75°、40lb 復(fù)印紙，能夠承受自身重量 10,673 倍的壓力。

“在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，我以為最強(qiáng)固的三浦折疊只能承受約 50 磅（約 22.7 公斤）的重量，我用家里的教科書(shū)就能壓垮它們?！钡钏@訝的是，這些圖案承受了高達(dá) 200 磅（約 90.7 公斤）的重量，家里能找到的書(shū)籍、鑄鐵平底鍋和其他重物根本不足以測(cè)量出折紙的極限強(qiáng)度。

“最后我不得不求父母去買(mǎi) 50 磅重的練習(xí)啞鈴，”Wu 說(shuō)。他測(cè)試的最強(qiáng)三浦折疊結(jié)構(gòu)承受了超過(guò)其自重 1 萬(wàn)倍的重量?！皳Q句話(huà)說(shuō)，這個(gè)比例相當(dāng)于一輛紐約市的出租車(chē)支撐著 4,000 多頭大象的重量！”

（來(lái)源：科學(xué)學(xué)會(huì)）

普林斯頓大學(xué)的工程師 Glaucio H. Paulino 指出，Miles 的項(xiàng)目是一次出色的參數(shù)化探索，展示了如何將幾何形狀轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)特性。不過(guò)，他也提到，要實(shí)現(xiàn)功能性的避難所還有很多工作要做，例如考慮接頭設(shè)計(jì)、材料厚度以及非線性縮放等工程要求。

未來(lái)，Miles 計(jì)劃用硬紙板、鋁板或碳纖維制作 1:1 比例原型，先嘗試拱形結(jié)構(gòu)，再擴(kuò)展到完整的帳篷；測(cè)試真實(shí)場(chǎng)景下的性能：防水、防風(fēng)、多方向側(cè)向沖擊、長(zhǎng)期耐久性；用專(zhuān)業(yè)液壓機(jī)繼續(xù)優(yōu)化參數(shù)，甚至探索其他折紙圖案的潛力。

他還想寫(xiě)一本自己的折紙書(shū)，把復(fù)雜的工程概念用簡(jiǎn)單圖案教給更多孩子?！拔易钕胱龅?，是讓這個(gè)設(shè)計(jì)真正幫到災(zāi)區(qū)的人，”他說(shuō)，“不是停留在實(shí)驗(yàn)室或新聞里，而是變成能救命的工具。”

1.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E6%B5%A6%E6%91%BA%E7%96%8A

2.https://www.smithsonianmag.com/innovation/this-14-year-old-is-using-origami-to-design-emergency-shelters-that-are-sturdy-cost-efficient-and-easy-to-deploy-180988179/

排版：胡巍巍