摘要：大家或许对于春晚大火特火的机器人舞蹈节目还有印象——机器人身穿花袄，手握花手帕，脚踏节奏明快的舞步，与真人演员一同上演热闹的大秧歌……不过，如果没有芯片，没有马达，没有电池，甚至电线都没有，机器人还能自己动起来吗？还能听从指令、自由变形，像舞者一样翩翩起舞吗？

大家或许对于春晚大火特火的机器人舞蹈节目还有印象——机器人身穿花袄，手握花手帕，脚踏节奏明快的舞步，与真人演员一同上演热闹的大秧歌……不过，如果没有芯片，没有马达，没有电池，甚至电线都没有，机器人还能自己动起来吗？还能听从指令、自由变形，像舞者一样翩翩起舞吗？先上一段视频。

近日，美国普林斯顿大学Glaucio H. Paulino等研究者从传统折纸艺术中汲取灵感，创造出一种被称为“超材料机器人”（metabot）的结构。它们依靠单元格的“手性”特性，只需接受电磁场的指令，就能远程控制，展现出复杂的扭动、收缩等灵动动作。具体来说，他们利用手性超材料单元模块，通过单自由度驱动将线性运动转化为旋转运动。该组件可以在0°至90°之间实现扭转，平面内收缩可达25%，垂直方向收缩超过50%。研究人员通过两种不同的驱动模式——线性位移或扭转驱动旋转压缩——展示了超材料的可编程性与可扩展性，为实现多模式、多稳态、可编程的变形机器人开辟了新路径。相关论文发表于Nature 杂志。

折纸启发的手性单元组成的多模态超材料。图片来源：Nature

普通弹性材料通常只具备单一变形模式，例如在施加扭矩或压缩时，分别发生扭转或收缩，而不会同时出现这两种变化。而此次设计的负泊松比结构，能够在不同驱动条件下同时实现扭转和收缩。这种独特的多模态变形机制，源于一种特殊的排列方式：柱状阵列由模块化的手性单元组成，能够以相同的角度扭转，并在变形过程中整体保持统一的高度和旋转角度。而这种结构单元的灵感源自折纸设计。

折纸，这门源远流长的手工艺术，可以将二维平面材料折叠成复杂三维结构。研究团队的超材料设计，基于一种名为“Kresling折纸图案”的螺旋折叠模式，这种模式具有柔性可折叠特性。通过特定配置，每个单元仅允许沿顺时针或逆时针方向旋转，从而实现高度可控的变形行为，为构建具备丰富响应特性的未来材料系统提供了新的可能。

Kresling折纸动态示意图。图片来源于网络

研究者展示了两种驱动模式，第一种是旋转驱动：1）驱动器逆时针旋转83°，超材料随之发生扭转变形，单元彼此收缩，高度缩短；2）驱动器顺时针旋转83°，超材料的高度继续缩短，同时单元距离展开；3）驱动器再次顺时针旋转83°，超材料的单元距离和高度均显著收缩。值得注意的是，整体的扭转变形由旋转驱动器控制，而每个模块单元的局部扭转则取决于手性排列。此外，这种超材料结构可以灵活调整层数以及每层的手性单元数量，从而实现不同的变形行为。

旋转驱动模式实验验证。图片来源：Nature

另一种驱动模式是线性压缩，超材料结构顶部连接的是一块可自由旋转的移动板，底部为固定板。在压缩初期，超材料主要发生轴向收缩，几乎没有扭转；随着压缩程度加深，超材料持续收缩，同时发生超过60°的剧烈扭转。

线性压缩驱动模式实验验证。图片来源：Nature

自2017年起，该团队就开始研究基于折纸的建模与仿真方法，用于模拟受力、扭矩、能量与位移、扭转角度、体积变化等物理量之间的关系 [2, 3]。对物理有兴趣的读者可参考他们早期的论文，其中包含了大量公式和物理推导。

基于二单元Kresling阵列的机械计算。图片来源：J. Mech. Phys. Solids[3]

研究者基于对折纸阵列的模拟，提出了一种可重构的模块化组装策略。通过连接具有相反手性的单元格，构建模块化偶极子，再将其组装成三维超材料结构。根据不同的组装规则，超材料可表现出多稳态特性和可调节的力学响应，这些力学性能可以通过重新排列模块进行可编程控制。此外，不同弹性模量的材料可以赋予偶极子不同的力学响应。

可编程的超材料策略。图片来源：Nature

随后，研究者探索了超材料的应用场景。比如，在组件中引入磁性偶极单元（如永磁体）可实现远程无线控制。通过调控旋转磁场或一维磁场，超材料可以实现移动、压缩、折叠展开等功能切换。再比如，在组件表面引入光吸收材料，超材料能够切换不同模式，实现热辐射的捕获与散热双模式切换，成功将表面温度从27摄氏度调节到70摄氏度，从而用于调节建筑的供热与制冷。甚至再比如，可以对一个八单元阵列的折叠和展开进行编程，其变形过程不仅取决于施加力和扭矩的大小和方向，还取决于施加它们的顺序。利用这一原理可以模拟计算机中的逻辑门功能，作为加密信息的扩展应用。

超材料的应用示例。图片来源：Nature

美国杨百翰大学Philip Klocke和Larry L. Howell在同期Nature 杂志中评论道：“折纸不仅能为艺术提供灵感，也能为科学提供启示，为开发具有自然界中不存在的特性的新材料提供了一个框架”，他们同时也指出“规模化是超材料应用领域的关键问题，随着单元数量的增加，操作将变得更加困难。如果能够克服这些问题，这款超材料将在广泛的领域中找到应用”。[4]

“这项研究展示了力矩可以被远程、瞬时且精确地传递，用来触发复杂的机器人动作”，Glaucio Paulino教授表示，“手性使这种材料能够打破传统物理对象中‘作用与反作用’的规则，先逆时针再顺时针旋转，同一个装置却会连续收缩塌陷”。麻省理工学院的Xuanhe Zhao教授也评论道：“这项工作为折纸设计及其应用开辟了一条全新的激动人心的道路”。[1]

Modular chiral origami metamaterials

Tuo Zhao, Xiangxin Dang, Konstantinos Manos, Shixi Zang, Jyotirmoy Mandal, Minjie Chen & Glaucio H. Paulino

Nature 2025, 640, 931-940. DOI: 10.1038/s41586-025-08851-0

参考文献：

[1] Material? Robot? It’s a metabot

[2] K. Liu & G. H. Paulino, Nonlinear mechanics of non-rigid origami: an efficient computational approach. Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci.2017, 473, 20170348. DOI: doi.org/10.1098/rspa.2017.0348

[3] S. Zang, et al. Kresling origami mechanics explained: Experiments and theory. J. Mech. Phys. Solids 2024, 188, 105630. DOI: 10.1016/j.jmps.2024.105630

[4] P. Klocke & L. L. Howell, Shapeshifting origami material shrinks when twisted. Nature 2025, 640, 884-885. DOI: 10.1038/d41586-025-01131-x

[5] Nature Video: An origami design for metamaterial robots

（本文由小希供稿）

来源：X一MOL资讯