中國學者發(fā)表3D打印最新Nautre正刊：模塊化手性折紙超材料

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在折紙中，一張紙可以呈現出拍打的鳥或跳躍的青蛙的形狀，這取決于它的折疊方式。將折紙的原理應用于材料設計，則可以開發(fā)處具有特殊性質的超材料。

機械超材料是具有特殊幾何排列的宏觀結構，能產生不尋常的力學性能和變形模式。手性超材料可實現應變與扭轉的耦合等特殊變形效果，但現有超材料存在雙運動耦合、無法獨立控制且變形受限（應變≤2%）等問題。來自普林斯頓大學的 Glaucio H. Paulino 教授團隊合作構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，實現了解耦驅動。這種結構可以表現出自然界中不存在的響應：它們在壓縮時會扭曲，在扭曲時會壓縮。這種設計可以用于制造用于各種應用的材料，包括熱調節(jié)、機器人和包裝。相關工作以 “Modular chiral origami metamaterials” 為題發(fā)表在《Nature》上。

這項研究的第一作者為中國學者趙拓，其本科就讀于大連理工大學，現為普林斯頓大學博士后研究員。

研究了標準彈性材料、代表性扭轉超材料和本文超材料的變形機制，結果表明本文所構建的超材料具有獨特的多模態(tài)變形機制，可在兩種獨立驅動條件下變形。

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驅動下的變形行為，結果表明理論能較好地預測超材料的面內和面外變形。

圖 2. 用旋轉致動器進行自由平移的多模態(tài)變形實驗驗證。

研究了超材料在線性位移驅動下的變形，結果表明不同邊界條件會使超材料呈現不同的多模態(tài)變形行為。

圖 3. 用線性位移致動器進行自由旋轉的多模態(tài)變形實驗。

通過建立替代模型進行模擬的研究方法，研究了超材料在扭轉和壓縮載荷下的變形，結果表明模擬結果與實驗結果相符。

圖 4. 模塊化組件多模態(tài)變形的替代模型模擬。

通過設計組裝規(guī)則研究了超材料的可重構性，結果表明可通過選擇不同組裝規(guī)則來重新編程超材料的力學性能。

圖 5. 創(chuàng)建可重構超材料的即插即用策略。

本文構建的超材料在機器人、熱調節(jié)、信息存儲等領域都有潛在應用。

圖 6. 多模態(tài)折紙超材料的應用范圍。

研究結論
本研究探索了模塊化手性超材料，其在單自由度驅動下可實現扭轉、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。該超模塊化系統(tǒng)可實現可重構多穩(wěn)定性、可調負載能力、可擴展性和多物理場集成。研究成果可用于揭示熱調節(jié)等應用、闡釋機械滯后等理論，還能拓展跨學科研究，如用于微機器人的按需編程組裝變形和性能調控。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08851-0