摘要：机械超材料是一类通过特定几何设计实现非常规力学性能的结构，因其在能量吸收、形状变换和智能响应等领域展现出巨大潜力，成为了研究热点。然而，现有的机械超材料通常存在运动模式单一、变形幅度受限（小于2%）且旋转与平移不可独立控制等挑战，严重限制了其在多功能机器人、信

机械超材料是一类通过特定几何设计实现非常规力学性能的结构，因其在能量吸收、形状变换和智能响应等领域展现出巨大潜力，成为了研究热点。然而，现有的机械超材料通常存在运动模式单一、变形幅度受限（小于2%）且旋转与平移不可独立控制等挑战，严重限制了其在多功能机器人、信息加密与能源调控等领域的应用。

成果简介

有鉴于此，普林斯顿大学Glaucio H. Paulino院士团队在Nature期刊上发表了题为“Modular chiral origami metamaterials”的最新论文。研究者提出了一种新型模块化手性超材料，结合了平面负泊松比镶嵌结构与手性折纸启发的柱状阵列设计，实现了扭转与线性平移的解耦控制。通过单自由度驱动，该超材料能够在0°到90°范围内扭转，平面内收缩高达25%，垂直方向收缩超过50%。

实验与模拟表明，该结构在旋转-收缩变形中由旋转方格镶嵌主导，而在厚度方向收缩中由Kresling折纸阵列主导。此外，研究人员展示了不同的驱动模式，包括自由平移下的旋转驱动和自由旋转下的线性驱动。该模块化手性超材料还具备可重编程失稳、局部手性控制和可调载荷能力，为构建多模态、多稳态及可重编程机器提供了新路径，展现出在机器人、热管理和信息加密等领域的广阔应用前景。

研究亮点

（1）实验首次提出并实现了由铰接镶嵌和手性折纸启发的晶格单元组成的多模态超材料，能够在单自由度驱动下实现多种变形模式。

（2）实验通过使用旋转驱动器和自由平移的组合验证了该超材料的多模态变形，成功展示了在0°到90°之间的扭转变形、面内收缩最多25%以及面外收缩超过50%的能力。

（3）实验还通过线性位移驱动器与自由旋转的组合，验证了超材料在不同驱动模式下的变形能力。结果表明，该超材料能够在不同驱动模式下独立控制平移和旋转，提供更大的变形灵活性。

（4）实验结合仿真展示了模块化组装体的多模态变形，其中旋转方形镶嵌主导面内扭曲和收缩，而管状Kresling折纸阵列主导面外收缩。该组合使得变形模式具有显著的可调性和独立性。

（5）该超材料具有高度的模块化和可重编程特性，通过选择适当的几何形状、手性和材料，能够在不同的负载条件下调节能量吸收和变形能力，具有潜在的应用于机器人变形、热调节和信息加密等领域的前景。

图文解读

图 1：由铰接镶嵌和手性折纸启发的晶格单元组成的多模态超材料。

图 2：使用自由平移的旋转驱动器验证多模态变形的实验。

图 3：使用自由旋转的线性位移驱动器进行多模态变形的实验。

图 4：多模态变形模块化组装体的替代模型仿真。

图 5：创建可重编程超材料的即插即用策略。

图 6：多模态折纸超材料的应用范围。

结论展望

本文的研究展示了通过单自由度驱动实现多模态变形的可能性，包括扭转、收缩和高度变化，这为未来灵活、可重编程的材料系统的开发奠定了基础。通过将非刚性折纸行为与手性折纸模块化结构相结合，作者揭示了如何在一个系统中实现可调的变形模式和独立的运动控制，这一思路为材料的功能化提供了新的视角。其次，研究强调了多物理场集成的重要性，探索了在磁场、热场和光学场等不同环境下的应用潜力，为跨学科的技术融合开辟了道路。

特别是通过引入不受约束的驱动方式，如三维磁场驱动，为微型机器人和智能材料的设计提供了新的方向。总体而言，本文的工作不仅推动了超材料领域在多功能性和多稳态系统方面的研究，还为智能制造、机器人学以及能源和信息处理等领域的未来应用提供了理论支持和技术路线。

文献信息

Zhao, T., Dang, X., Manos, K. et al. Modular chiral origami metamaterials. Nature 640, 931–940 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08851-0

来源：MS杨站长