如何實現太空中的“一鍵展開”？科學家從摺紙裏找到了完美答案
在浩瀚的宇宙中，太空工程師們經常面臨着一個難解的挑戰：如何將巨大的結構裝進狹小的火箭整流罩中，然後在太空中完美展開？這個問題的答案，或許就隱藏在古老的東方藝術——摺紙之中。
2025 年 8 月 20 日，《英國皇家學會學報》發表了一項引人注目的研究，美國猶他州楊百翰大學的 Larry Howell 教授及其團隊開發出了一種名爲“綻放模式”的全新摺紙結構。它能夠像花朵綻放一般優雅地展開，爲太空技術的發展開闢了新的可能性。
摺紙“綻放”設計可摺疊成花朵形狀。（圖片來源：參考文獻[1]）
從千年藝術到現代工程的奇妙邂逅
摺紙，這門起源於中國的古老藝術，早已超越了純粹的藝術範疇。在現代工程學中，摺紙結構因其獨特的幾何性質而備受青睞——它們可以被緊湊地摺疊收納，然後展開爲更大的形態。然而，傳統的摺紙圖案往往存在一個致命的缺陷——難以打包，展開步驟複雜，單一操作失敗即可阻止整個結構展開。
正是在這樣的背景下，Howell 團隊的發現才顯得格外珍貴。他們所創造的“綻放模式”摺紙結構，如同自然界中花朵的綻放過程一般，以一種流暢而連續的動作從平坦的薄圓盤展開爲一個更大的曲面三維形狀。這一過程不僅優美動人，還解決了傳統摺紙結構在工程應用中的諸多難題。
論文中四種代表性的摺紙結構（圖片來源：參考文獻[1]）
“我們能夠發明前所未有的新事物，同時也在創造這些美麗形態。”Howell 教授的這句話，不僅體現了科學家的自豪，更揭示了科學與藝術完美結合的魅力。在他們的實驗室裏，數學的嚴謹與藝術的美感交相輝映，在這張薄薄的“摺紙”上完美融合。
三重特性：工程師的理想之選
“綻放模式”能讓工程界眼前一亮，全靠它同時具備了三個對於可展開應用至關重要的特性——旋轉對稱性、可展開性和近似平面可摺疊性。這三個特性的完美結合，使得綻放模式在衆多摺紙結構中脫穎而出。
旋轉對稱性意味着結構在視覺和功能上的和諧統一，這不僅有利於大型陣列的光學性能和穩定性，更能帶來製造和裝配上的便利；可展開性則確保了結構能夠從二維平面展開爲三維形態，這是所有空間結構的基本要求；而近似平面可摺疊性——無論是全局的還是局部的——則爲結構的緊湊收納提供了可能。
要知道，傳統的摺紙結構往往顧此失彼。例如，yoshimura 模式雖然具有旋轉對稱性和可展開性，但難以實現平面摺疊；而某些 twist 模式雖然可以平面摺疊，但收納效率有限。綻放模式的出現，填補了這一空白，爲工程師們提供了一個理想的選擇。
更爲重要的是，綻放模式的展開過程具有一種獨特的魯棒性。它能夠一次性完整展開對空間結構，從而減少了錯誤摺疊破壞整個過程的可能性。美國弗吉尼亞理工大學的 Michael Bartlett 教授評價：“當觀察這些綻放模式的展開過程時，你可以看到其無需按部就班即可實現最大部署。”在太空環境中，任何故障都可能是致命的，而“綻放模式”的魯棒性剛好避開了這個風險。
從理論到實踐：數學之美的工程表達
綻放模式的成功不僅僅是工程技巧的體現，更是數學理論與實際應用完美結合的典範。研究團隊不滿足於僅僅創造出幾個有趣的摺紙樣本，而是深入挖掘這類結構的數學本質，建立了完整的理論框架。
在論文中，研究者們提出了兩個定義層次：廣義定義和標準化定義。廣義定義基於綻放模式最具決定性的特徵，設計爲最小化排除未發現的、可能被歸類爲綻放模式的摺紙圖案的可能性。而標準化定義則將廣義定義限制到綻放模式更具體的特徵上，使得描述、分析和構建綻放模式有了系統的框架。
通俗來說就是，研究團隊爲這種摺紙結構建立了清晰的“身份證”。 就像生物學家給新發現的物種分類一樣，他們提出了兩套定義體系，就好比先畫出一個大圈，再在其中畫出一個小圈。
“廣義定義”就是那個大圈，告訴我們“什麼是綻放模式”。它抓住了綻放模式最核心的特點——能夠從平面摺疊狀態展開成三維曲面結構，就像花朵綻放一樣。這個定義故意放寬，就是爲了不遺漏任何可能屬於綻放模式家族的“成員”，即便是那些目前還沒有被發現的新型結構。
而“標準化定義”則是那個小圈，則告訴我們“如何製作綻放模式”。它在廣義定義的基礎上增加了更多具體要求，比如結構必須由楔形片段圍繞中央多邊形排列、每個楔形都來自某種特定的重複圖案等等。這就像是給綻放模式制定了更嚴格的“准入標準”，雖然範圍縮小了，但卻爲科學家們提供了一套標準化的工具，可以系統地分析、設計和製造這類結構。
簡單來說，廣義定義告訴我們“什麼是綻放模式”，而標準化定義則告訴我們“如何製作綻放模式”。
這種嚴謹的數學描述不僅有助於理解現有的綻放模式，更爲未來新型結構的設計提供了理論指導。此外，研究團隊還提出了一套分類方案，基於內在特徵對綻放模式進行分類，分析了幾種類型的綻放模式，並用螺旋模型記錄了綻放模式獨特的螺旋性質。
特別值得一提的是，研究團隊推導出了一套兼容性條件，用以幫助確定是否可以基於標準化定義構建有效的綻放模式。這套數學工具的建立，使得綻放模式從一個有趣的發現轉變爲一個可以系統化應用的工程解決方案。
太空應用腦洞大：
望遠鏡、太陽能板都“開花”
當我們將目光投向浩瀚的星空時，綻放模式摺紙結構的應用前景變得更加激動人心。
現在的太空望遠鏡通常被迫使用平面鏡進行觀測，成像精度有限。但綻放模式的曲面形態可以應用於部署碟形天線——想象一下，未來的太空望遠鏡可能會攜帶着一個看似平凡的摺疊結構進入太空，然後在預定軌道上像花朵綻放一般展開成爲一個巨大的拋物面反射鏡。這種變化不僅僅是尺寸上的擴展，更是觀測能力的質的飛躍。鏡面越大，分辨率更高，光收集能力更強，這將使我們能夠觀測到更遙遠、更闇弱的天體。
除了望遠鏡應用，綻放模式在太陽能電池板的部署方面也顯示出巨大潛力。傳統的太陽能電池板展開結構往往復雜且容易卡殼，而綻放模式的一體化展開特性可以大大減少故障風險。此外，其緊湊的摺疊形態也能更好地適應火箭整流罩的空間限制。
綻放模式在不同應用場景中的概念示意圖：(a) 可用作固定式可展開陣列的模型，(b) 可用作多個便攜式陣列的模型，(c) 可用作可堆疊和可展開的衛星陣列的模型，(d) 可用作可壓縮流體容器的模型。這些示意圖使用摺紙模擬器和SketchUp創建。（圖片來源：參考文獻[1]）
跨學科的魔法：
藝術與科學碰撞下的創新
這項研究的意義遠超摺紙本身，它展示了跨學科合作的巨大威力。古老的東方藝術與現代科學相遇，數學的抽象之美與工程的實用需求結合，往往能夠產生令人意想不到的創新成果。
揭示綻放模式展開過程的數學模型，也可以幫助研究人員更快地設計出有效的摺紙結構。這種能力的獲得，標誌着摺紙工程學從經驗性探索向理論指導實踐的重要轉變。研究者們不再需要通過大量的試錯來尋找可行的設計，而是可以基於數學模型進行精確的預測和優化，大大加快了創新速度。
更深層次地看，這項研究還體現了人類認識世界、改造世界的獨特方式。我們從自然中汲取靈感——花朵的綻放啓發了綻放模式的創造；我們用數學語言描述現象——螺旋模型揭示了結構的本質；我們將理論轉化爲實踐——從紙質模型到太空應用的跨越。這個過程本身就是科學精神的完美詮釋。
目前在應用中的航天器太陽能帆板折展機構（圖片來源：中國數字科技館）
未來：讓“摺紙花”在宇宙綻放
隨着這項研究成果的發表，綻放模式摺紙結構正式踏上了從實驗室走向實際應用的征程。雖然“綻放模式”目前的研究主要集中在理論建模和原理驗證階段，但其應用前景已經展現出誘人的輪廓。在不久的將來，我們可能會看到第一個基於綻放模式的太空結構成功部署。這不僅將是工程技術的勝利，更是人類智慧與創造力的體現。每一次在軌展開，都將是古老藝術在現代科技中的重生，都將是東西方文明智慧的完美融合。
當然，從理論到實際應用還有很長的路要走。材料的選擇、製造工藝的優化、可靠性的驗證，這些都是工程師們需要解決的實際問題。但正如歷史告訴我們的那樣，人類的創造力，總能讓“不可能”變爲現實。
今天，當我們仰望星空時，或許可以想象這樣一個畫面：在遙遠的太空中，一個個如花朵般綻放的結構正在悄然改變着我們對宇宙的認知。這些源於千年藝術智慧的現代科技產物，將成爲人類探索宇宙、認識自我的新工具。而這一切的起點，就是那些在實驗室中小心翼翼摺疊着紙張的研究者們——他們用雙手編織着科學與藝術交融的美麗夢想，用智慧點亮着通往星辰大海的道路。
參考文獻
[1]Wang, Zhongyuan, Robert J. Lang, and Larry L. Howell. "Bloom patterns: radially expansive, developable and flat-foldable origami." Proceedings of the Royal Society A 481.2320 (2025): 20250299.
策劃製作
出品丨科普中國
作者丨郭菲 煙臺大學
監製丨中國科普博覽
責編丨張一諾
審校丨徐來、張林林
