摘要：机械超材料是一类通过特定几何设计构建的宏观结构，具备非常规力学性能和变形方式。它们的整体性能由中尺度单元的形状、大小和排列方式决定。传统单元结构如八面体桁架和Kelvin晶格已被应用于超轻结构、能量吸收和断裂研究等领域。近年来，引入“手性”概念的超材料使应变与
模块化手性折纸超材料
机械超材料是一类通过特定几何设计构建的宏观结构，具备非常规力学性能和变形方式。它们的整体性能由中尺度单元的形状、大小和排列方式决定。传统单元结构如八面体桁架和Kelvin晶格已被应用于超轻结构、能量吸收和断裂研究等领域。近年来，引入“手性”概念的超材料使应变与扭转之间的耦合变形成为可能。然而，这些结构通常假设单元之间是刚性连接，因此只能实现线性小变形。相比之下，受折纸和切纸启发的可重构超材料，能通过柔性连接实现大范围三维形变，适用于形状变换等场景。但这类结构由于具有多自由度，往往需要复杂系统或外部刺激来驱动。大多数研究也局限于单一方向的加载效果。
在此，普林斯顿大学Glaucio H. Paulino教授课题组设计了一种新型模块化手性超材料，具备类似机器的多模态变形能力，能够在单一驱动下实现解耦的扭转、压缩和平移运动。这种结构由可旋转方块组成的平面负泊松比单元和折纸结构的柱状阵列构成，最多可实现90°的扭转、25%的平面收缩以及超过50%的垂直压缩。实验与仿真表明，这些变形分别由不同结构单元主导。相比以往手性超材料中无法独立控制的双重运动且只能实现微小变形（应变小于2%），这种新结构可实现扭转与平移、线性位移与旋转的独立切换。基于高度模块化的构造，该材料还能实现可编程的形变、局部手性调控、负载调节及良好的可扩展性，适用于变形机器人、热调节系统、机械记忆、非交换状态切换及能量吸收和信息加密等多种应用场景。相关成果以“Modular chiral origami metamaterials”为题发表在《Nature》上，第一作者为Tuo Zhao, Xiangxin Dang为共同一作。
多模式变形，驱动脱钩
标准弹性材料通常只有一种变形模式，比如在受到扭矩时发生扭转（图1a）。相比之下，结构设计精巧的机械超材料可以实现多模态变形，如在压缩时将线性位移转化为旋转（图1b），但这种扭转和线性位移是耦合的，且通常仅限于小变形范围。为了实现更大范围的多模态运动，研究人员设计了一种负泊松比结构，该结构的横截面可在0°到90°之间扭转，同时面内收缩可达25%，高度方向压缩超过50%。不同于一般超材料只能在单一加载条件下响应，该结构在两种独立激励下均可自由变形：即扭转时可自由平移，线性位移时可自由旋转（图1c）。这一独特性能源于顶部和底部采用马赛克式结构单元，中间为折纸启发的手性柱状单元（图1d）。每个柱单元由不带面板的可变形手性单元构成，顶面旋转方格中的每个小方块都以相同角度旋转。结构设计要求所有柱单元在变形过程中保持一致的高度和扭转角。相邻柱单元的手性设置为相反方向，以适应顶部面板相反的旋转方向（图1d中红绿点所示）。通过数学公式可将该手性设置推广到任意规模的系统（图1e–g），为模块化设计和可扩展性奠定基础。
图1：由铰链镶嵌和手性折纸启发的晶格细胞组成的多模式超材料
在一个实验中，研究人员展示了这种模块化超材料在旋转驱动下可实现扭转、收缩或扩张和压缩。整个过程分为三个加载步骤（图2a）：首先，驱动器逆时针旋转83°，引发超材料扭转变形，同时边缘自然收缩、高度变短；接着顺时针旋转83°，高度继续缩短，边缘则扩张；最后再顺时针旋转83°，边缘和高度最终再次缩小。虽然净扭转角为83°，但总旋转角度累计达249°。图2b展示了实验中的四种典型构型。值得注意的是，整体的扭转变形由旋转驱动控制，而各模块单元的扭转由手性排列决定（图2c）。通过扭矩传感器可记录结构对预设旋转加载的响应（图2d）。从运动学角度出发，将理论预测与实验视频中的图像测量数据进行了比较（图2e），结果显示，无论是面内边缘的收缩或扩展，还是面外的高度变化，理论都与实际高度一致。
图2：使用具有自由翻译的旋转执行器对多模式变形的实验验证
在另一项实验中，研究人员采用线性位移驱动并允许自由旋转的方式，进一步探究了手性超材料的变形行为。整个结构的响应受到实验边界条件的显著影响。图3a所示的边界设置中，顶部为可自由旋转的板，底部为固定板，两者通过带滚珠的微型滚轮与旋转单元相连。图3b展示了该结构在不同状态下的多模态变形过程：从状态(1)到(2)，结构沿轴向收缩但几乎不发生扭转；从(2)到(3)，结构继续收缩并发生剧烈旋转，超过60°。图3c给出了对应的力–位移曲线，并标示了图3b中的代表状态，同时图3d展示了面内边缘收缩和面外高度压缩的变形效果。
图3：使用自由旋转的线性位移驱动多模式变形的实验
建模和仿真
研究人员借鉴“杆-铰”模型，提出了一种替代仿真模型，用于模拟和解析手性超材料的多模态变形行为（图4）。该模型可应用于单元结构、模组柱体以及整体结构与旋转方形镶嵌单元的模拟（图4）。研究发现，三层模组柱体的最终变形状态受材料性质和手性排列的影响。例如，在扭转载荷下，最底层单元与扭转方向一致时会最先折叠，即使其刚度更大也不例外；而不同手性排列组合的柱体在双向扭转后变形行为差异明显，这归因于“自由平移”边界条件允许系统在高度方向上寻求最低能量状态（扩展数据图4b，图5验证了这一现象）。在压缩载荷下，三种颜色的单元组合产生的峰值力幅值不等，而红白单元的组合则表现出两次相近峰值和一次不同峰值，均最终压缩至坍缩状态。进一步的模拟结果显示，扭转或压缩条件下的整体结构变形趋势与实验结果高度一致：在自由平移的扭转条件下（图4a–e），结构经历多次单元折叠过程，表现出三次局部扭矩峰值和明显的体积变化；在自由旋转的压缩条件下（图4f–j），结构在压缩过程中发生同步折叠，产生两次局部力峰值，并伴随大角度扭转。仿真中的应变能变化趋势也与实验数据相符（图4d、4i），进一步验证了模型的准确性。
图4：用于模块化组件的多模式变形的替代模型模拟
可重编程的模块化组件
基于对折纸结构阵列的模拟和实验的理解，研究人员利用其高度非线性的力学行为，设计出具备特定力学性能的可编程超材料。他们采用“插拔式”组装策略，将单元格连接成阵列，再构建成立体结构（图5a）。其中一个基本模块为双极单元，由两个手性相反的单元组成，在中间层呈现扭转变形（图5b）。研究者选用了三种弹性模量不同的材料制造这些双极单元，使其具备不同的承载能力和能垒（图5c）。在此基础上，他们制定了第一种组装规则（图5d），构建出图5e所示的三维结构。压缩实验显示该结构具有四个稳定状态，每个状态的峰值载荷依次递增（图5f左），并伴随能量累积增加（图5f右）。通过更换组装规则，例如图5g所示，即便双极单元数量不变，构建出的新结构（图5h）却展现出完全不同的机械行为，每个稳定状态的峰值载荷几乎一致。此外，研究还发现每个稳定状态的承载能力都可以通过设计重新编程（图5j–o）。
图5：插件策略用于创建可重编程的超材料
不束缚的机器人超材料
研究人员构建了一种集磁响应、形变驱动与信息编码于一体的多模态机器人超材料结构（图6）。该结构通过内置磁偶极元件，在外部磁场控制下可实现远程驱动和多种形态切换，包括运动模式、变形模式和二者结合模式。模块化设计赋予其可重构性与良好的适应性，能在狭小空间中收缩通过。此外，折纸单元结合黑白面板还能调节光热性能，实现主动加热或冷却功能。结构还具备力驱动的记忆效应和非交换状态转变能力，可通过设计不同能垒顺序进行信息加密。这些特性展示了该系统在柔性机器人、智能热调节与信息存储等领域的应用潜力。
图6：多模式折纸超材料的范围
小结
本研究开发了一种模块化手性超材料系统，能够在单一自由度驱动下实现多模式形变，包括扭转、收缩和平移高度变化。这种多模态响应来源于Kresling折纸结构的非刚性特性，以及可调手性单元、偶极组合和柱状阵列的模块化设计，并通过平面切割结构（kirigami）连接组装而成。该系统具备高度模块化特性，不仅可实现可重编程的多稳态行为、可调承载能力和多物理场集成（如磁、热、光），还能应用于热调控、机械记忆（如机械迟滞元）等多种功能领域。通过引入三维磁场驱动，还可实现无线远程操控，使其具备面向微型机器人按需变形和功能调控的潜力。
来源：高分子科学前沿一点号1
