主题：[原创] 折纸艺术和哈勃望远镜 -- 正宗鲁皮皮

折纸艺术和哈勃望远镜

折纸，又称折纸（Origami, or paperfolding)，是一种以纸张折成各种不同形状的艺术活动。在大部分的折纸比赛中，多数要求参赛者以一张无损伤的完整正方形纸张折出作品。

哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，HST），是人类第一座太空望远镜，总长度超过13米，质量为11吨多，运行在地球大气层外缘离地面约600公里的轨道上。它大约每100分钟环绕地球一周。… 哈勃望远镜是以天文学家爱德文·哈勃的名字命名的。

-----------摘自维基百科

上述两个事物看起来风牛马不相及 ， 很少会有人将两者联系起来。一般人小时候都玩过纸折的飞机，手巧一点的还会折出纸鹤，青蛙等动物，所以在绝大多数人心目中，折纸是一种娱乐休闲活动，或妈妈和奶奶逗子女和孙辈开心的玩意儿。大多数人对折纸的兴趣随着童年的结束而嘎然而止， 我也不例外。 直到有一天Discovery频道的一期节目吸引了我， 从而颠覆了我对折纸艺术的传统看法。

已经记不清什么时候看的那期节目，大概得有两年了，但我清楚得记得这期节目的大概内容。讲的是一个物理学家“不务正业”，痴迷于折纸，当然人家折纸早就已经不在纸飞机的水平了，这家伙竟然利用计算机编制程序来辅助折纸，也算是折纸CAD了。该人后来在折纸方面如此有名，以至于作为一个物理学家的名号远没有“折纸学家“（如果有折纸学家这个头衔的话）的头衔叫得响。 后来NASA慕名而来，雇用这位”折纸物理学家“来帮忙解决一个技术难题----具体什么难题吗，您慢慢往下看。节目看完后令我感叹，随后忙于生活琐事也就放下了。 近日在网上无意又看到这个人的材料，细细看来颇觉有味， 遂整理成文以飨各位河友。

该人名叫Robert J. Lang，维基百科收录有他的条目，原文翻译如下：

“Robert J. Lang博士是一位美国科学家， 同时还是世界上最初的折纸艺术家和理论家之一。他以折制复杂而精巧的设计著称，其中大多数是动物。他长期从事“折纸数学”（mathematics of origami）的学习，同时运用计算机研究隐藏在折纸艺术之后的数学理论。他还对于将折纸理论运用到具体工程实践中做出了很大成绩。“

Lang博士（有点像咱中国人的姓，朗博士？）出生于俄亥俄，在佐治亚的亚特兰大长大。从加州理工(CIT)拿到应用物理的博士学位，后来作为一名激光物理学家和工程师在NASA工作了很长一段时间。Dr.Lang对折纸开始感兴趣是从6岁开始，这一点和大多数人没什么两样。不同的是他对折纸的热情就重没减退过，甚至于从2002年起，他就抛弃了本职工作而全心全意地做了位折纸艺人和咨询师。

先来看看Dr.Lang的大作。

一只青蛙.

老鹰.

再来一只猫头鹰.

小朋友比较喜欢恐龙,虽然只剩骨头了.

一只大肉蟹, 怎么老想到吃!

怎么净上海鲜?

我最喜欢的一张,蜥蜴和蜻蜓.

油老鼠.

爱情之玫瑰.

俘获芳心.

不知别人看了这些作品有何感觉，反正我感觉是很震撼的。简简单单的一张纸，加上一双巧手，就产生了这些美轮美奂，栩栩如生的艺术品，实在是不简单。

如果仅仅如此也没有什么太了不起，咱们中国北方每到过年那些大姑娘老奶奶剪的窗花比这些还要漂亮。Dr.Lang当然不会只满足于这些初级手工艺品的水平，他将折纸，数学和科学综合考量，提出了三个交叉学科：

1. 折纸数学：主要包括研究折纸背后的数学原理。

2. 计算折纸学：主要包括运用数学方法对折纸难题提出新的算法和原理。顾名思义这个方向离不开现代计算机的支持。

3. 折纸工程技术：这个方向主要是将折纸技术运用到工程中以解决在实际中遇到的工程问题。

前两个方向主要是理论研究，第三个方向就偏向工程应用了。

在折纸工程技术的应用方面，Dr.Lang曾经帮助设计过德国汽车气袋的折叠模式。但让他名声大振的还是参与劳伦斯利乌莫国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的”眼镜“计划（Eyeglass）。

”眼镜“计划实际上就是一个超大的望远镜计划，其基本概念是基于一个基本物理原理：（望远镜孔径）越大越好。望远镜的孔径越大，收集的远处微弱天体的功率越强，所以看的也就越清楚。另一个望远镜的重要指标是角分辨率，这个指标直接决定成像清晰度。角分辨率的大小受衍射极限决定，而衍射极限与孔径成反比。这么说来，望远镜的孔径越大越好喽，理论上是这样。但在地球上由于大气湍流的影响，孔径提高到一定程度以后，图像分辨率就不再提高了，这个程度大概是多少呢？答案是，几米。具体几米，我也不知道，反正就是这么个数量级。

于是大家就想，何不把望远镜搬到外太空去，于是就有了哈勃望远镜。哈勃望远镜的光学孔径大概是２．４米，最大外围直径是４米左右，这个尺寸和航天飞机的运载尺寸匹配。也就是说，人们往外太空投射的望远镜的尺寸是受现如今的运载工具的尺寸所限．如此就带来一个新问题：如果人们设计出一个孔径１００米的巨型望远镜，综上所述，这个望远镜呆在地球上是没有前途的，唯一的使用平台是外太空，可是如何将这个庞然大物送到空间轨道呢？一个解决思路是造一个运载尺寸１００米的巨型运载火箭或航天飞机。这个思路可能太野心勃勃了，所以没有人会付诸实施。”眼镜“计划就面临这么个难题．LLNL的研究人员提出了一个新方案：将这个巨型望远镜的透镜先折起来，等到了地儿再打开不就行了．说到这里就不得不多说两句这个可折叠的透镜．　

这里的透镜不是我们常见的光学透镜，那家伙是硬邦邦的，没法折．这里用得是一种叫作＂衍射透镜＂的东西，我们高中都学过的菲涅尔透镜就是其中之一．这种透镜不是球面镜，主要支撑材料可以是玻璃或塑料，其厚度可以做的很薄，所以即使折叠多层也不占多大地方．有人会有疑问，如此之薄的塑料薄膜怎么支撑得起１００米的庞大身躯？嘿嘿，别忘了在外太空，是无重力或微重力的环境，对支撑材料的强度要求很小滴．

好了，基本想法有了，可是具体怎么折也是个棘手的问题．衍射透镜有很多优点，可有一个缺点：对表面的折痕的容忍度很低．也就说，如果打开后产生不规则的折痕，那么这个望远镜的表现可要大打折扣了．于是如何折，折痕的设计，都必须精心选取以最大限度的降低对系统性能的破坏．

此时，就该Dr.Lang登场了．

具体的技术细节就不在此啰嗦了，因为我也不甚寥寥．就是我知道，要写出来估计也得照着一片博士论文来写．再说了，这细节属于Dr.Lang的看家功夫，如何能轻易透露．

这个计划后来好像没有投入最后实施，据Dr.Lang的网页介绍，LLNL现在还在做进一步的分析，并且对其他的替代策略做评估．据说有更具野心的计划出台，你有没有想过有朝一日人类会利用一台孔径１公里的望远镜遥望宇宙呢？

不管怎么说，从折纸艺术到哈勃望远镜这一步是迈过去了．Dr.Lang把一个爱好变成了自己的饭碗，而且吃得还挺香．

这正应了中国一句老话：三百六十行，行行出状元．

注：Dr.Lang的官方网页为：http://www.langorigami.com/，此文素材来自该网页．

• 【注意】阁楼精品整理清单(有修订)及其他