Nature重磅：普林斯顿大学发布模块化手性折纸超材料，开启可编程多模态新时代

解决的问题：传统手性超材料存在双运动模式耦合且变形受限（应变≤2%）的问题，限制了其在多领域的应用，本研究旨在突破这些局限。

提出的方法：构建由拉胀平面镶嵌和折纸启发的柱状阵列组成的模块化手性超材料，利用特殊夹具实现单自由度驱动下的解耦驱动变形。

实现的效果：该超材料在单自由度驱动下，扭转角度可达 0° - 90°，面内收缩达 25%，面外收缩超 50%，并展现出多种功能，如机械滞后回线、非对易状态转变等。

创新点：设计出具有解耦驱动的模块化手性超材料，突破传统超材料变形局限，实现多模式、多稳态和可编程功能，拓展了超材料的应用范围。

研究成果以题为 “Modular chiral origami metamaterials” 发表于《Nature》上。普林斯顿大学Tuo Zhao、Xiangxin Dang为论文共同第一作者，Glaucio H. Paulino为论文通讯作者。

摘要：具有多模态变形机制的超材料类似机器，尤其是在具备自主功能时。一种典型的可调控手性的结构组件能将线性运动转化为旋转运动。这些具有类似机器双模态的手性超材料在波操控、与圆偏振相关的光学活性以及手性活性流体等领域具有潜在应用。然而，双运动本质上是耦合的，无法独立控制，且它们仅限于小变形（即应变≤2%），这限制了其应用。在这里，我们构建了模块化手性超材料，由拉胀平面镶嵌和受折纸启发的柱状阵列组成，实现了解耦驱动。在单自由度驱动下，组件的扭转角度在 0° 到 90° 之间，面内收缩可达 25%，面外收缩超过 50%。通过实验和模拟，我们发现组件的变形包括由旋转方形镶嵌主导的面内扭转和收缩，以及由管状 Kresling 折纸阵列主导的面外收缩。此外，我们展示了两种不同的驱动条件：自由平移的扭转和自由旋转的线性位移。我们的超材料基于高度模块化的组件构建，实现了可编程的不稳定性、局部手性控制、可调的承载能力和可扩展性。我们的概念为实现多模态、多稳态和可编程机器提供了途径，可应用于机器人变形器、温度调节、滞后回线中的机械记忆、非对易状态转换以及用于能量吸收和信息加密的即插即用功能组件。

结论：探索了模块化手性超材料，通过特别设计的夹具，在单自由度驱动下实现有限的多模态变形，包括扭转、收缩和高度变化（图 2 和图 3）。多模态变形与 Kresling 图案的非刚性折纸行为以及手性折纸的模块化相关，涉及单元细胞、偶极子排列、具有可调手性的柱状阵列，或与受剪纸启发的平面镶嵌连接的组件。这种超级模块化系统可即时创建材料，实现可编程的多稳态、可调的承载能力、可扩展性以及多物理场集成（例如，磁场、热场和光场）。我们利用这些发现揭示了新的应用（例如，温度调节）、理论（例如，机械滞后子），并拓宽了研究的跨学科范围（例如，机器人超材料）（图 6）。通过集成无系绳驱动方案（例如，三维磁场），我们提出按需编程组件变形和特性，用于微型机器人。

图1：由铰接镶嵌和受折纸启发的手性晶格单元组成的多模态超材料。

图2：使用自由平移旋转致动器对多模态变形的实验验证。

图3：使用自由旋转线性位移致动器的多模态变形实验。

图4：模块化组件多模态变形的代理模型模拟。

图5. 创建可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。

文章信息：

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