摘要：在材料学中，我们常常希望材料既能轻便、又结实，还能根据需要变形。而科学家们近年来研究出一种叫“机械超材料”的新概念，这类材料的神奇之处在于：它们的性能不是由组成它们的分子或化学成分决定的，而是由结构本身的设计决定的。也就是说，同样的材料，通过不同的结构排列方式

行业新知

在材料学中，我们常常希望材料既能轻便、又结实，还能根据需要变形。而科学家们近年来研究出一种叫“机械超材料”的新概念，这类材料的神奇之处在于：它们的性能不是由组成它们的分子或化学成分决定的，而是由结构本身的设计决定的。也就是说，同样的材料，通过不同的结构排列方式，就能拥有完全不同的力学性质，比如像弹簧一样变形，或者在拉伸时反而变窄（负泊松比）等。

近日，普林斯顿大学博士后研究院赵拓博士作为一作作者在《Nature》期刊上发表了《Modular Chiral Origami Metamaterials》的论文，该研究的核心内容是借助3D打印技术开发出了一种具有多模态变形机制的模块化手性折纸超材料，它在力学、热学、光学等多个领域展现出巨大的应用潜力，实现了突破性的进展。

原文链接：https://ums.proxy.itic-sci.com/vpn/5/https/P75YPLUPMF4HK6UFF3SX85B/articles/s41586-025-08851-0#Sec5
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什么是模块化折纸结构？

研究人员设计了一种可以像积木一样拼接的结构模块，每个模块看起来像一个被折叠起来的框架，可以在一定范围内像弹簧一样拉伸或压缩。这些模块单独使用时已经具有变形能力，但真正的神奇来自它们的“组合”：多个模块拼接后形成的整体结构，会随着外力的作用展现出独特的整体形变特征。想象一下，你用乐高积木搭了一个房子，但这个房子不是固定的，而是你按一下，墙会缩进去、屋顶会升起来——这些变化并不是因为积木变形了，而是它们的连接方式和角度设计得很巧妙。

图源3D打印技术参考

手性带来新的力学效果

“手性”是这个设计的另一个关键特点。通过让结构具有左右旋转的不对称性，研究人员发现，这些模块在组合后可以出现“耦合效应”——比如你施加一个压力，结构不只是上下压缩，还会出现旋转或横向扭曲。这种响应是传统材料无法做到的。

由铰链镶嵌和受手性折纸启发的晶格单元组成的多模超材料：a、施加扭矩时标准弹性材料的扭曲变形。b 、压缩3下的代表性扭曲超材料。c 、由两个独立测试条件驱动的多模态变形机制，即自由平移的扭曲和自由旋转的线性位移。d 、分别为未变形配置（左）和变形配置（右）中的超材料组件示意图。该组件由铰链镶嵌（蓝色和黄色）和受折纸启发的晶胞阵列（红色和灰色）组成。L 、边长；H、高度；φ ∈  [0°, 90°]，扭曲角；α ∈  [0, 1]，长度变化标量；和β ∈  (0, 1]，高度变化标量。插图显示了组装体中模块化单元的手性分配。e ，具有运动学兼容几何形状的棒状晶格单元系列，例如 4 边形、6 边形和 8 边形单元。f ，两组具有可区分能垒的手性晶胞。acw，逆时针扭曲；cw，顺时针扭曲。g，晶胞储存的应变能与扭曲角变化的关系。红色曲线和灰色曲线分别代表低能垒单元和高能垒单元的能量包络。能量计算基于方法、“模拟”中定义的参数（红色和白色单元）

超材料的“负泊松比”

最引人注目的特性之一是：这种材料在拉伸的时候不变细，反而变宽，这是“负泊松比”的体现。一般材料（比如橡皮筋）拉长时会变窄，而负泊松比材料却会横向膨胀，像是某种“反直觉”的行为。这种性质可以应用在很多地方，比如医疗器械、航空材料、缓震结构等。

使用自由旋转的线性位移驱动进行多模态变形实验，a、详细的测试设置，显示边界条件和负载。b 、三种代表性配置。在每幅图中，垂直比例尺表示组件的高度变化率，弧形比例尺表示组件的扭转角。c 、测得的力-位移曲线，标有代表性状态。d 、组件边缘长度变化与扭转角的关系（顶部）和组件高度变化与扭转角的关系（底部）

结构+设计 = 万能材料？

更重要的是，这种结构完全依赖于几何设计，而不是材料本身的成分。研究人员用普通塑料通过3D打印技术制作了样品，就已经能实现这些复杂的形变。这意味着，将来只要换一种材料打印，就能实现不同的性能组合，比如柔软但有弹性，或者刚硬但可折叠。

而且，由于是模块化的设计，使用者可以根据自己的需求组装不同数量、方向和类型的模块，像拼图一样拼出“定制版”的材料。这种“可定制”的思路在实际应用中非常有前景，比如设计某种机器人外壳、可以伸缩的结构臂，或者可折叠的天线、避震设备等等。

多模折纸超材料的范围，a，磁力机器人变压器。左，运动模式（机器人运动，刚体）。中，变压器模式（材料变形）。右，变压器-运动组合模式。b ，温度调节。折纸阵列在其面上采用白色辐射冷却器和黑色太阳能吸收器等光学材料，可通过控制每种面片类型的分数面积来控制太阳能加热量。折纸单元的折叠和展开状态还可以捕获不同厚度的空气，从而有效控制对流热增益和损失（R1 >  R2  ）。此概念适用于建筑物的温度调节。c ，具有多个连接迟滞的 Preisach 模型。d ，非交换性。模块化手性组装的双模态使其在扭转驱动下具有历史相关行为。e ，可编程信息存储/加密的两个实例。左，具有双稳态单元的阵列。右，大型折纸组件全局驱动以达到所需的目标状态

结论

这项研究展示了如何通过“模块化+折纸+手性”这三种概念的结合，创造出一种全新的机械超材料。这种材料不仅形状灵活、响应多样，还可以通过改变结构布局实现多种力学性能的切换。可以说，它就像是材料界的“变形金刚”，未来在航空航天、建筑、智能设备等领域都有非常大的应用潜力。

来源：奇遇科技ADTE