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比翱观察丨千纸鹤、桐剪秋：折纸、剪纸启发机械超材料设计
小时候我们都玩过纸飞机、折纸船、摔方块、也用五颜六色的纸片折过千纸鹤，简单的快乐与童年的记忆，总会在某个时候，让我们重拾温暖。逢年过节，我们也很喜欢用各式各样的剪纸图案来装饰家居、烘托节日气氛，娴熟的剪切手法，展现出丰富多彩的静态与动态图案。
近年来，这样的古老而传统的折纸艺术和剪纸艺术在构建机械超材料的研究人员中广受欢迎。折叠和切割2D薄膜材料将它们转化为具有独特和可编程机械性能的复杂3D结构和形状。
在《应用物理评论》中，美国和中国的研究人员根据两种不同的标准将基于折纸和剪纸的机械超材料（具有不寻常机械性能的人工工程材料）分为六组。
“折纸和剪纸本质上是机械超材料，因为它们的特性主要取决于折痕图案和/或切割的制作方式，而略微取决于折叠折纸或剪纸的材料，”论文作者、固体力学领域的国际知名专家姜汉卿教授说。
研究人员将机械超材料分为三类，包括基于折纸的超材料（仅折叠）、基于剪纸的超材料（仅切割）和混合折纸- 剪纸超材料（折叠和切割）。特别是混合折纸- 剪纸超材料在形状变形方面具有巨大潜力。
每组都根据弹性能量景观细分为刚性或可变形类别。如果能量仅存储在折痕或连接处，则超材料被归类为刚性材料。如果能量存储在折痕或连接件和面板中，则超材料被归入可变形类别。
研究人员希望发现新的折纸和剪纸设计，尤其是曲线折纸设计、折纸- 剪纸混合设计、模块化设计和分层设计。
他们计划专注于为基于折纸和剪纸的机械超材料选择新材料。通常纸用于制作超材料原型，但由于纸的易碎性和可塑性而存在限制。为了针对实际应用进行设计，探索具有不同特性的材料（如薄或厚、软或硬、弹性或塑料）将很有帮助。
他们希望将能量景观和能量分布作为两个强大的工具来分析折纸和剪纸的机械性能，并将寻求精心设计基于折纸和剪纸的机械超材料的驱动方法。
“基于折纸和剪纸的机械超材料可应用于许多领域，包括柔性电子、医疗设备、机器人、土木工程和航空航天工程，”姜教授说。
更多信息可参考："Mechanical metamaterials based on origami and kirigami" Applied Physics Reviews, aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0051088
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使用剪纸画技术开发的变形超材料布里斯托大学的工程师使用剪纸技术开发了一种新的变形超材料，这是中国古老的剪纸和折叠纸张以获得3D形状的艺术。剪纸画技术可用于将二维板材转换为复杂的三维形状，其几何形状选择比“经典”折纸更广泛。
该研究由布里斯托大学创新与科学高级复合材料博士培训中心(ACCIS CDT)开展的博士项目开发，2021年11月24日发表在《Scientific Reports》上。
由博士生Robin Neville开发的使用剪纸技术的机械超材料类型可以无缝地改变形状，在几何形状变化很小的情况下表现出机械性能的巨大变化，并且可以通过使用主流驱动机制来调整其配置。
剪纸超材料也可以使用现成的热塑性或热固性复合材料生产，并且可以嵌入不同的传感和电子系统以获得完全集成的智能变形结构。
Robin Neville补充说：“通过结合分析模型和数值模拟，我们已经展示了这些剪纸晶胞超材料如何改变其变形特性。我们还展示了将这些类别的机械超材料用于变形结构等形状变化应用的潜力。” 未来，这种剪纸超材料可用于机器人、飞机机身和空间应用的变形结构、微波和智能天线。
更多信息可参考：‘Shape morphing Kirigami mechanical metamaterials’ by Robin M.Neville, Fabrizio Scarpa and Alberto Pirrera in Scientific Reports
基于剪纸方法的可重构隐身超材料
随着智能科技的发展，根据环境变化感知能重新配置单元结构从而改变电磁特性的需求越来越迫切。近年来，剪纸/折纸超材料的出现为电磁调控提供了更多自由度，这种方法通过机械应变折叠，重构空间超表面的结构形状、序构和组合方式，从而实现可以任意调控的多个集成功能，很好地克服了上述问题。西北工业大学黄维院士、空军工程大学许河秀教授团队基于剪纸方法提出了一种可重构隐身超材料，通过改变折叠方式、折叠角度就可实现反射频谱的重新调控，相关成果以“Adaptable Invisibility Management Using Kirigami-Inspired Transformable Metamaterials”为题发表在Research上。
研究人员设计了三维剪纸积木来制造动态超材料
“将剪纸应用于三维材料为这些结构提供了一个新的可重构水平，”该工作论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程副教授尹杰说。
研究人员乐观地认为，这些3D超材料可用于诸如轻质建筑材料、模块化机器人组件和声学超材料中的波导等应用。
更多信息可参考：Yanbin Li et al, 3D Transformable Modular Kirigami Based Programmable Metamaterials, Advanced Functional Materials (2021). DOI:10.1002/adfm.202105641
研究人员用自折叠剪纸材料制造机器人研究人员已经展示了剪纸技术如何让他们设计出薄片材料，这些薄片材料可以响应环境激励自动重新配置为新的二维形状和三维结构。已创造了各种机器人设备作为该方法的概念证明。论文作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程助理教授尹杰说：“这是我们所知道的第一个案例，其中二维剪纸图案在没有机械输入的情况下自主的将自己重塑成不同的三维结构。”“我们以热量的形式施加能量，材料就会自行重新排列”。
新的“活性剪纸”概念依赖于三层材料，它由两个对热不敏感的外层组成，中间的一个聚合物层响应于热而收缩。材料的形状和结构通过两种方式控制。穿透所有三层的贯穿切口控制材料的运动范围。蚀刻穿透外层并暴露热敏聚合物，控制材料折叠的角度和方向，以及折叠的程度。当材料折叠时，它会打开贯穿切口，将片材的形状转变为2D或3D设计。
更多信息可参考：Yichao Tang el al., "Programmable active kirigami metasheets with more freedom of actuation," PNAS (2019).www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1906435116
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