折纸启发出一篇《Nature Commun》！

折纸折痕图，启发了可重构材料的设计，这种材料可以通过折叠改变其形状和性能。不幸的是，大多数设计都不能提供承重能力。而那些可以提供承重能力的，在某些方向上可以，但在部署的方向上就会倒塌，限制了它们作为结构材料的使用。

在此，来自加拿大麦吉尔大学的Damiano Pasini等研究者融合了kirigami和origami的概念，引入了一种可刚性折叠的单胞超材料，它可以平折并锁定在多个方向上的刚性状态，包括部署方向。相关论文以题为“Rigidly flat-foldable class of lockable origami-inspired metamaterials with topological stiff states”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29484-1

折纸和剪纸工艺，即折叠和切割纸张的艺术，激发了大量规模不变可重构材料和结构的发展，这些材料和结构可以在空间或平面内展开。这些概念，已经在各个领域得到了应用，从机械存储器、机器人驱动器、热可调结构、多稳定器件、复杂的3D几何图形、可编程表面到柔性电子器件等。折纸折痕和剪纸工艺切割模式，也提供了具有独特几何和力学特性的机械超材料设计，例如，可重构性、平折性和双稳态缺陷性等。

最近的兴趣是原位可编程折叠超材料，利用折叠模式和运动几何之间的内在耦合。在这里，刚性可折叠性、平折性和承重性，是可以描述折叠形态和实现某些功能性能的明显特征。刚性可折叠性表明，折叠完全由折痕线作为旋转铰链控制，而不受刚性板的变形控制。另外，在非刚性折叠模式中，面板顺应性和折痕线都控制折叠。平折性是一种属性，它通过允许空间转换进入一个或多个平面状态，从而赋予高度可重构性。可折叠超材料的承载能力，是指在任何给定的结构中，在多个方向上施加的负载提供结构阻力的能力。

现有的受折纸启发的超材料，提供了一定程度的可编程性，但它们无法同时达到刚性折叠性、平折叠性和沿部署方向的承载能力。其中一个原因是它们的单胞的运动学，它控制着折痕图的折叠方式。可折叠的超材料使用Miura-ori、交错和管状图案，以及基于水弹图案的圆柱形结构，以及其他单元格，利用了显示部分但不是全部上述属性的折线几何。例如，具有多个自由度(DoFs)的刚性可折叠材料系统，要么是松软的，要么需要对折叠顺序进行精确控制，这一特性严重限制了它们承受多方向负载的能力。另外，非平折概念的可重构性有限，使得它们的尺寸和体积都很大，现有的利用结构不稳定性或Kreseling模式，来实现可重构的概念大多是非刚性可折叠的。为了折叠，它们必须克服一个巨大的能垒，这个能垒使面板弯曲和伸展，从而牺牲了承重能力。另一方面，具有一定负载阻力的可折叠图案只能在一定方向上这样做，主要是在展开方向上失去刚度。在服务过程中，当加载方向不确定时，这个方面可能会出现问题，因此，可能会将硬文件还原为软盘配置。

在此，研究者提出了一个设计刚性平面可折叠超材料拓扑类的框架，该拓扑类材料可在原位重新编程，可沿多个方向重新配置，其中有些可平折叠，有些可锁定，后者甚至沿展开方向也是多方向刚性。研究者的超材料，可以用一个自由度刚性折叠，并且由于面接触，可以重新配置成几个可平折和空间锁定的折叠路径。压缩下的锁定产生拓扑和对称变化，从而增加了多向刚度。此外，折叠路径和混合模式配置，可以在原位激活来调节它们的性质。它们的承载能力、平折性和可重编程性，可以用于可部署结构、可重构机器人和小体积包装。

图1 概念方案生成自锁运动链和镶嵌连同他们的纸板原型。

图2 多种运动路径，可实现可锁定和可平折模式。

图3 折叠会改变拓扑结构和对称性。

图4 能量绘景和模态相图。

图5 受折纸启发的单胞超材料的面外压缩响应。

图6 多向承载能力和原位可编程性。

综上所述，研究者的超材料，可以作为抗穿刺充气系统的骨架，在部署后锁定到位，不会因不可预见的通缩而崩溃或失去功能。此外，在保持刚性的情况下切换渗透性的能力，可以应用于土木工程的自适应多孔介质和透气墙的设计，或者作为医疗植入物的智能阀门，在这种情况下，流体流动可以通过结构而不是外部闭塞进行调节。（文：水生）

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