天津大学设计新型折纸超材料 实现力学性能大范围编程调控 | Engineering

折纸是一种将二维平面按照特定山线折痕和谷线折痕折叠从而形成三维艺术品的艺术活动。由于优越的形状可转换性、丰富的折叠模态、灵活可变的设计参数和易于制造的特点，使折纸成为一种用于高效构建超材料微结构的方法之一。根据变形特征，折纸可分为刚性和非刚性两大类。其中，刚性折纸的折纸面在围绕折痕转动的折叠过程中其内部不产生任何变形，其力学响应完全由折痕决定。尽管对于刚性折纸和非刚性折纸的文章已有许多，而已报道的折纸超材料通常由单一类型的刚性或非刚性折纸胞元周期性排布而成，无法实现刚性和非刚性结合的宽范围力学性能调控。

天津大学陈焱、英国牛津大学由衷研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年10月刊发表了题目为《基于刚性与非刚性Square-Twist胞元混合排布的折纸超材料设计与性能编程研究》的研究性文章，通过将一系列不同类型的square-twist折纸胞元进行空间排布，设计了一种新型折纸超材料。文章建立了超材料胞元的空间排布规则，保证了相邻胞元山-谷线折痕的几何匹配。随之，文章进行了双轴拉伸实验，结果表明该新型超材料的变形能、最大刚度和初始峰值力均可由组成胞元的对应特性叠加得到，并且通过改变胞元类型、数量、几何参数、材料参数可以实现对超材料力学性能的大范围编程调控。此外，对具有固定胞元数量的超材料，文章通过改变山-谷线折痕的排布可以得到胞元类型与数量不同的一系列超材料，从而实现根据具体需求的力学性能重编程。文章为可编程折纸超材料的设计提供了新的思路，在机械等工程领域具有广阔的应用前景。

文章表明，超材料的应变能、初始峰值力、最大刚度可通过相应的胞元性能叠加得到。而胞元的性能在理论上是可预测的，因此，设计超材料中不同胞元的比例，可实现超材料性能的初步编程，进一步调整胞元的几何参数和材料参数可对超材料性能进行精细化调控。文章对一系列具有相同几何参数和材料参数、不同type-1和type-3胞元数量排布的4×4超材料进行了验证。值得注意的是，随着type-1胞元数量的增加，三个力学性能指标呈阶梯式线性增加。此外，由于这种4×4的超材料可以采用相同的折痕布局制备，因此采用不同的折叠方式，可对相同的超材料重新编程，实现特定的需求。例如，可以先将超材料折叠为type-3胞元均匀排布的设计，以获得较低的力，然后展开再次折叠为仅含有type-1胞元排布的设计，增大其初始峰值力。文章指出，这种重构（重编程）策略可应用于设计频率重构的天线，采用此种排布设计，可扩大天线的调控范围和重构类型。

总之，文章针对不同领域的超材料性能设计需求差异，较大地拓宽了折纸超材料性能编程和重构编程范围，为开拓更多新的研究方向提供了思路。例如，可采用机器学习算法自主高效地实现文章中性能编程设计过程，快速得到满足特定设计需求的超材料设计参数。

以上内容来自：Jiayao Ma, Shixi Zang, Yan Chen, Zhong You. The Tessellation Rule and Properties Programming of Origami Metasheets Built with a Mixture of Rigid and Non-Rigid Square-Twist Patterns [J]. Engineering, 2022, 17(10): 82-92.

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原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.02.015

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ISSN 2095-8099

CN 10-1244/N

IF 12.8 Q1

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