本文由公众号 “把科学带回家” 提供

给孩子最好的科学教育

见过一串互不相连的光棍能做这种事吗——

还可以这样玩——

这是2015年和2016年的火人节（Burning Man）大会上，艺术家buchananwp制造的成人玩具。

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给你仔细看看所有光棍的结构——

Piaji一拍——

好玩不？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

张拉整体

材料和操作

6根吸管（或中空木棍）

十来根橡皮筋

剪刀

胶带纸

二十面体张拉整体制作视频——

@Angela YU

原理

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（Richard Buckminster Fuller）在1961年提出的。对，富勒烯用的就是富勒的名字（虽然富勒烯不是富勒本人发明的）。

巴克敏斯特·富勒和他设计的张拉整体

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。

@NASA

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。

@wikipedia

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（Kurilpa Bridge）就是一类张拉整体。

澳大利亚昆士兰的库利尔帕桥

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（The Georgia Dome）的穹顶也属于张拉整体流派的。

亚特兰大奥运会的乔治亚巨蛋

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（Nephila Clavipes）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。

金丝蜘蛛的网是一种张拉整体

@Skelton, Robert E., and Mauricio C. de Oliveira. Tensegrity systems. Vol. 1. New York: Springer, 2009.

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。

@Skelton, Robert E., and Mauricio C. de Oliveira. Tensegrity systems. Vol. 1. New York: Springer, 2009.

细胞内的细胞骨架（cytoskeleton）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（见上图）。

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。

SUPERball V2

@IEEE spectrum

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。

SUPERball V2的测试

@IEEE spectrum

我们最后再来欣赏一组张拉整体设计吧——

以上图片均来自tensegriteit.nl

其实上面这些张拉整体都不算什么，最惊艳（SAO）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。

来源: 把科学带回家