中國(guó)學(xué)者發(fā)表3D打印最新Nautre正刊：模塊化手性折紙超材料

來(lái)源：EFL生物3D打印與生物制造

在折紙中，一張紙可以呈現(xiàn)出拍打的鳥(niǎo)或跳躍的青蛙的形狀，這取決于它的折疊方式。將折紙的原理應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)，則可以開(kāi)發(fā)處具有特殊性質(zhì)的超材料。

機(jī)械超材料是具有特殊幾何排列的宏觀結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生不尋常的力學(xué)性能和變形模式。手性超材料可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與扭轉(zhuǎn)的耦合等特殊變形效果，但現(xiàn)有超材料存在雙運(yùn)動(dòng)耦合、無(wú)法獨(dú)立控制且變形受限（應(yīng)變≤2%）等問(wèn)題。來(lái)自普林斯頓大學(xué)的 Glaucio H. Paulino 教授團(tuán)隊(duì)合作構(gòu)建了模塊化手性超材料，由拉脹平面鑲嵌和受折紙啟發(fā)的柱狀陣列組成，實(shí)現(xiàn)了解耦驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出自然界中不存在的響應(yīng)：它們?cè)趬嚎s時(shí)會(huì)扭曲，在扭曲時(shí)會(huì)壓縮。這種設(shè)計(jì)可以用于制造用于各種應(yīng)用的材料，包括熱調(diào)節(jié)、機(jī)器人和包裝。相關(guān)工作以 “Modular chiral origami metamaterials” 為題發(fā)表在《Nature》上。

這項(xiàng)研究的第一作者為中國(guó)學(xué)者趙拓，其本科就讀于大連理工大學(xué)，現(xiàn)為普林斯頓大學(xué)博士后研究員。

研究了標(biāo)準(zhǔn)彈性材料、代表性扭轉(zhuǎn)超材料和本文超材料的變形機(jī)制，結(jié)果表明本文所構(gòu)建的超材料具有獨(dú)特的多模態(tài)變形機(jī)制，可在兩種獨(dú)立驅(qū)動(dòng)條件下變形。

圖 1. 由鉸接鑲嵌和手性折紙晶格單元組成的多模態(tài)超材料。

研究了超材料在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下的變形行為，結(jié)果表明理論能較好地預(yù)測(cè)超材料的面內(nèi)和面外變形。

圖 2. 用旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器進(jìn)行自由平移的多模態(tài)變形實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

研究了超材料在線性位移驅(qū)動(dòng)下的變形，結(jié)果表明不同邊界條件會(huì)使超材料呈現(xiàn)不同的多模態(tài)變形行為。

圖 3. 用線性位移致動(dòng)器進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)的多模態(tài)變形實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)建立替代模型進(jìn)行模擬的研究方法，研究了超材料在扭轉(zhuǎn)和壓縮載荷下的變形，結(jié)果表明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖 4. 模塊化組件多模態(tài)變形的替代模型模擬。

通過(guò)設(shè)計(jì)組裝規(guī)則研究了超材料的可重構(gòu)性，結(jié)果表明可通過(guò)選擇不同組裝規(guī)則來(lái)重新編程超材料的力學(xué)性能。

圖 5. 創(chuàng)建可重構(gòu)超材料的即插即用策略。

本文構(gòu)建的超材料在機(jī)器人、熱調(diào)節(jié)、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用。

圖 6. 多模態(tài)折紙超材料的應(yīng)用范圍。

研究結(jié)論
本研究探索了模塊化手性超材料，其在單自由度驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、收縮和高度變化等有限多模態(tài)變形。多模態(tài)變形與 Kresling 圖案的非剛性折紙行為及手性折紙的模塊化相關(guān)。該超模塊化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)多穩(wěn)定性、可調(diào)負(fù)載能力、可擴(kuò)展性和多物理場(chǎng)集成。研究成果可用于揭示熱調(diào)節(jié)等應(yīng)用、闡釋機(jī)械滯后等理論，還能拓展跨學(xué)科研究，如用于微機(jī)器人的按需編程組裝變形和性能調(diào)控。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08851-0