一張紙撐起一輛出租車！14歲少年用折紙找到超越萬倍自重結構極限

一張看似普通的、表面布滿平行四邊形的紙張，在被拉動對角邊緣的時候，會順暢地向四周擴張成原本面積數倍的平面；而只需輕輕推擠，它又會沿著預設的路徑，回歸為一個厚度緊湊的矩形塊。

（來源：維基百科）

這種特殊的幾何構型被稱為“三浦折疊”（Miura-ori）。它由日本天體物理學家三浦公亮在 20 世紀 70 年代提出。從拓撲學角度看，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的山折（Mountain fold）與谷折（Valley fold），將平面劃分為無數個完全相同的平行四邊形單元。在變形過程中，除了折痕處的轉動，每一個面片本身都不產生彎曲。這種“一拉即得”的聯動性，以及展開過程中的雙向擴張特征，被用于航空航天、超材料和結構力學領域，其最早的空間應用之一是 1995 年發射的日本空間飛行單元衛星。

日前，來自紐約的 14 歲華裔少年 Miles Wu 發現，一張簡單的紙折疊成三浦折紙的形狀，竟然可以承受自身 1 萬倍的重量。憑借該創新成果，他贏得了 2025 年“賽默飛科學青少年創新挑戰賽”的冠軍，以及 2.5 萬美元獎金。該賽事由美國科學學會自 1999 年起主辦，是美國面向中學生的頂尖 STEM（科學、技術、工程和數學）競賽。

圖 | 項目海報（來源：科學學會）

Miles 的折紙之路始于 7 歲。那時，他只是喜歡折紙飛機和小動物。但疫情期間，這個愛好開始升級：他把家變成小型折紙工廠，親手折了 200 只精致的紙鴿子，全部賣掉后把錢捐給了野生鳥類基金會 Wild Bird Fund。他還參加過“Origami By Children”兒童折紙比賽，作品甚至被美國自然歷史博物館（AMNH）選為圣誕樹裝飾。

2024 年，他開始探索折紙藝術除了作為一種創作方式之外的其他可能性。“我開始閱讀有關不同類型幾何折紙如何因其各種物理特性而被研究并應用于 STEM 領域的資料。”

隨著他對幾何折紙在 STEM 領域應用的深入閱讀，這種愛好演變成了科研探索。他察覺到，現有的災害救援設施存在一個明顯的矛盾：足夠堅固的結構往往沉重且難以運輸，而輕便易拆裝的臨時帳篷又往往難以抵御極端的風雨天氣。

為了解決這個痛點，Miles 將目光鎖定在了三浦折疊，這種結構天然具備可折疊性與高強重比的雙重特點。

為了找到最堅固的折疊方式，Miles 測試了折疊圖案的強重比（即它們能承受的重量與其自身重量之比）。他首先利用計算機程序繪制了 54 種三浦折疊的變體，設置的變量包括：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，使用了三種不同類型的紙張（40lb 復印紙、65lb 輕卡紙和 110lb 重卡紙），針對 54 種不同的變體進行了總計 108 次試驗。

為了消除手工折疊帶來的微小應力不均，Miles 使用了專業的壓痕機來確保折痕的絕對精準。然后，將每一個表面積約為 64 平方英寸（約相當于 A4 紙三分之二大小）的紙片放置在間隔 5 英寸的護欄之間，逐一增加負重，直至結構損壞。

結果發現，最強組合是 1 英寸高、0.5 英寸寬、75°、40lb 復印紙，能夠承受自身重量 10,673 倍的壓力。

“在實驗開始時，我以為最強固的三浦折疊只能承受約 50 磅（約 22.7 公斤）的重量，我用家里的教科書就能壓垮它們。”但令他驚訝的是，這些圖案承受了高達 200 磅（約 90.7 公斤）的重量，家里能找到的書籍、鑄鐵平底鍋和其他重物根本不足以測量出折紙的極限強度。

“最后我不得不求父母去買 50 磅重的練習啞鈴，”Wu 說。他測試的最強三浦折疊結構承受了超過其自重 1 萬倍的重量。“換句話說，這個比例相當于一輛紐約市的出租車支撐著 4,000 多頭大象的重量！”

（來源：科學學會）

普林斯頓大學的工程師 Glaucio H. Paulino 指出，Miles 的項目是一次出色的參數化探索，展示了如何將幾何形狀轉化為結構特性。不過，他也提到，要實現功能性的避難所還有很多工作要做，例如考慮接頭設計、材料厚度以及非線性縮放等工程要求。

未來，Miles 計劃用硬紙板、鋁板或碳纖維制作 1:1 比例原型，先嘗試拱形結構，再擴展到完整的帳篷；測試真實場景下的性能：防水、防風、多方向側向沖擊、長期耐久性；用專業液壓機繼續優化參數，甚至探索其他折紙圖案的潛力。

他還想寫一本自己的折紙書，把復雜的工程概念用簡單圖案教給更多孩子。“我最想做的，是讓這個設計真正幫到災區的人，”他說，“不是停留在實驗室或新聞里，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