史上最牛逼的物理學家：手握46項國家專利，卻辭掉NASA工作回家「折衛星」

紙張里的

數學與大藝術

作為一個充滿藝術細菌的十八線網紅，超模君今天要來講一門「嚴謹的藝術」。

摺紙是怎麼來的呢？

摺紙最早起源於我們隋朝時期，當年這些摺紙不過是小孩子消遣的玩具，可能應該中國地大物博，並沒有得到太多的關注。

後來到公元583年，日本來了一個叫曇征的佛教僧人，發現摺紙非常有意思，就將摺紙帶到了日本。摺紙這個新玩意一進入日本，就受到眾人的追捧，逐步發展成了日本的國粹，並取名為——摺紙藝術（Origami）。

日本摺紙

後來，日本特地在中小學就開設了必修的摺紙課程，而且還專門成立了摺紙飛機系會，27.9秒的紙飛機飛行時間吉尼斯世界紀錄，就是由這個協會的會長創下的。

日本摺紙飛機大賽

而遠在太平洋彼岸的美國也把摺紙納入了幼兒園的教學大綱。

WTF！據說，美國在採用摺紙來教數學後，孩子們的數學成績平均提高了15.4個百分點呢。

講到這裡，有模友可能會說，「這摺紙里能有什麼學問啊？不就折兩下的事嘛。」

那隻能說太年輕了！

早在1991 年，日裔義大利數學家藤田文章（Humiaki Huzita）就提出了摺紙幾何公理，指出所有摺紙操作都是基於這些數學公理完成的。

1. 已知A、B兩點，可以折出一條經過A、B的摺痕。

2. 已知A、B兩點，可以把點A折到點B上去。

3. 已知a、b兩條直線，可以把直線a折到直線b上去。

4. 已知點A和直線a，可以沿著一條過A點的摺痕，把a折到自身上。

5. 已知A、B兩點和直線a，可以沿著一條過B點的摺痕，把A折到a上。

6. 已知A、B兩點和a、b兩直線，可以把A、B分別折到a、b上。

Unbelievable！小小的摺紙用數學語言表示後，竟然有一種「嚴謹藝術」的錯覺。

把摺紙變成藝術

再說起摺紙藝術這事兒，故事要從日本摺紙之父吉澤章開始說起。

吉澤章，創辦了國際摺紙研究會，一生髮明出超過5萬種新摺紙圖樣，被稱為"現代摺紙藝術的鼻祖。"

20世紀80年代，吉澤章和美國摺紙藝術家Sam Randlett利用點、線和箭頭等標識，建立了一套名為吉澤章-蘭德列特系統的國際通用摺紙語言。

簡單來說，就是我們現在最常用的摺紙記號，比如凹折、凸折、卷折、層折......

吉澤章作品

1994年，一位叫做中村開己的27歲大夥子在這套"國際通用摺紙語言"的基礎上，創立了自己的流派"Kamikara"，也叫動態摺紙系列，把摺紙藝術推向了一個新的高度。

中村開己

而目前全網最火爆的「企鵝炸彈」 正是出於中村開己的Kamikara 摺紙之手。

看國外網友們的反應，「企鵝炸彈」絕對稱得上是新一代撩妹神器。

最近，它也成功引起了中國網友們的注意。

當然，除了各種曬照裝13，大家都在問：「企鵝炸彈」是什麼原理？到底是蘊含著有趣的力學原理？還是來自東方的神秘力量呢？

其實這裡面的摺疊就類似於中國古人創造的黑科技——榫卯。

榫卯是採用一種凹凸結合的連接方式，凸出部分叫榫，凹進部分叫卯，通過榫和卯咬合，構成富有彈性的框架以起到連接作用。

簡單來說：它就是透過一系列的摺疊和連接，通過觸碰底部的榫，讓模型自動展開變成立體的紙模。

而在 Kamikara 摺紙系列中，驚掉下巴的可是數不勝數：

空手接白刃

讓你感受下什麼是愛的魔力轉圈圈~

萬聖節盒子

下面這個活久見系列，不知道的人還以為見鬼了......

活久見系列的殭屍多米諾骨牌

這技術，瞬間感覺自己沒有資格說玩過摺紙了。

不過，為了滿足大家的動手欲，摺紙大師中村開己決定手把手教大家玩摺紙，甚至可以說這是手殘星人的福音：

在這些小小的摺紙中，甚至還能找到許多經典的數學物理知識：齒輪、作用力、彈力......

當然，這些同樣也引起了科學家們的注意......

摺紙是一種科學思維

有人說，摺紙只是玩具而已，沒啥用途。

」美國大叔「——物理學家羅伯特·朗，第一個表示不服。

因為羅伯特·朗不僅將摺紙玩出了歷史新高度，甚至還用摺紙原理解決了太空難題，可謂是真正將摺紙折上了天。

羅伯特·朗出生於美國俄亥俄州的一個普通家庭，從小就深受父母的影響而愛上了摺紙。

10歲那年，他不僅將書里的模型折了個遍，還開始自己想辦法折書上沒有的東西，甚至在中學時代都依舊迷戀摺紙，不過還好沒有影響到學業。

他一路過關斬將考上了著名的斯坦福大學，並以優秀的成績留校繼續攻讀博士。

在讀博期間，他不僅學業有成，而且還創作了近百件複雜而精妙的摺紙作品。

羅伯特·朗讀博期間的作品

在這眾多作品中，他最鍾愛的是一種叫布谷鳥的鐘，他整整花了三個月的時間去構思輪廓和疊法，最後一口氣花了六個小時才將它折出來。

左：羅伯特摺紙的，右：布穀鳥鐘實物

不過，那時對他來說，摺紙只是一個興趣愛好而已，還沒有辦法養活自己和家人。

所以，1988年，拿到斯坦福大學博士學位的羅伯特·朗選擇了在美國航天局NASA工作，因為在這裡他可以擁有一份不錯的收入。

在NASA工作期間，羅伯特陸續發表了80多篇相關物理研究的論文。

同時，他擁有在半導體激光器、光學以及集成光電子學等領域有46項專利，並躋身為美國數學學會的成員。

不過一心鍾愛摺紙的他，始終想把摺紙原理應用於航空航天事業上。

成為真正的摺紙極客

在準備迎來在NASA第13年之時，羅伯特放棄了他的事業，他選擇辭職在家一心研究摺紙。

認識他的人幾乎都不敢相信他放棄了如此優秀的工作。

面對錯愕人們的質疑，羅伯特坦言："比起物理研究，他的人生追求其實是摺紙，而且是利用高科技的摺紙。"

在放棄工作後，他開始專註將摺紙與數學聯繫在一起進行創作，運用解析抽象幾何設計，微積分等數學知識來解決摺紙當中遇到的問題。

在羅伯特的努力下，摺紙技藝有了新的突破，他開創了一種革命性摺紙法，稱之為「圓河包裝」。

這個摺紙法能讓那些部位圓角的部分包入方形的部分中，無需摺疊，從而模擬出逼真的外形。

就這樣，羅伯特輕易舉地就解決了之前一直困擾著摺紙大師們的問題：如何摺疊出逼真的昆蟲腿部、翅膀和觸角。

令人驚訝的是，他不僅充分的將現代的技術應用到摺紙中，還創造出了摺紙設計的演算法，並順手開發了一套用於製作複雜設計的計算機摺紙程序，名為TreeMake。

那麼，這套程序到底有多牛批呢？

它可以在你開始摺紙前，就幫你計算出一件作品正確的摺疊順序，並且可以形成各種你想折成的作品的摺痕。

（軟體示意圖）

這不就正好解決了困擾NASA多時的問題了嗎：想要往太空上運太陽能板，如何儘可能小的體積內提供足夠大的表面積太陽能板呢？

他根據這套程序和摺紙方面的手藝，很快就設計出了一款摺疊太陽能板的demo。

摺疊太陽能板雛形

這個太陽能板不僅運輸的時候能摺疊成小巧的樣子，而且表面面積超大。

同時它還能在發射的時候纏繞在衛星上，它的展開也不需要宇航員的協助！

等比樣本

此外，羅伯特·朗還表示：摺紙理論其實遠遠不止於此，它還可以被廣泛運用到其他領域，比如機器人。

後來，在實際應用方面，羅伯特·朗也做出了很大貢獻，比如用摺紙來實現機械手的操作、血管支架的摺疊、以及裝置摺疊的汽車安全氣囊等。

不過，讓羅伯特·朗沒想到的是，在2017年，NASA的研究員竟然根據他的演算法原理髮明出了一款名為Puffer小巧機器人。

PUFFER的機器人

它可以小到折成巴掌大的樣子，非常輕易地放入航天器中運載到外星球，同時還能在狹小惡劣的空間中來去自如。

PUFFER的機器人

誰也沒想到這原本只是童年回憶摺紙，竟很大可能解決工業領域的種種難題。

作為摺紙先驅的羅伯特，當年也許只是單純地想用自己的專業解釋興趣。

不曾想，在將摺紙玩到極致的同時，也許多完成令人不可思議的事情。

一直以來，很多人會說玩物喪志，卻忘記了玩物亦可養志。

關鍵在於你玩何物，用何種方式玩物了。

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