Nature l 模块化手性折纸超材料：多模态驱动与解耦变形的革命性突破

3D科学谷洞察

模块化手性超材料在机器人技术中具有广泛的应用前景，不仅能够实现多种复杂的运动和功能，还能够提高机器人的性能、灵活性和适应性。”

一、文章概述

当超材料具备自主功能时，具有多模态变形机制的超材料就类似于机器。一种具有可调手性的代表性组装结构可将线性运动转换为旋转，这些具有类似机器双模态的手性超材料在波操纵、圆偏振相关光学活性和手性活性流体等领域具有潜在应用。然而，双重运动本质上是耦合的且无法独立控制，同时受限于小变形（应变≤2%）。本文研究通过3D打印构建了一种模块化手性超材料，由拉胀平面镶嵌结构和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，该组件可在0°至90°之间扭转，面内收缩达25%，面外收缩超过50%。通过实验与模拟，发现其变形涉及以旋转方形镶嵌主导的面内扭转与收缩，以及以管状Kresling折纸阵列主导的面外收缩。此外，文章中展示了两种不同的驱动条件：自由平移下的扭转和自由旋转下的线性位移。这种超材料基于高度模块化组件，可实现可重编程的不稳定性、局部手性控制、可调负载能力及可扩展性。本研究为多模态、多稳态及可重编程机器提供了技术路径，可应用于机器人变压器、热调节、滞回回路中的机械记忆、非交换状态转换，以及能量吸收和信息加密的即插即用功能组件。

二、核心亮点解读

1） 模块化设计突破传统极限

• 双结构融合创新：结合拉胀平面镶嵌（负泊松比结构）与Kresling折纸柱阵列，前者实现面内扭转与收缩（旋转方形单元主导），后者实现面外大变形（管状折纸主导）。这种混合架构首次在单组件中实现三轴解耦变形（X轴平移、Y轴收缩、Z轴旋转） 。

• 手性编程自由度：通过改变单元手性排列（左旋/右旋交替配置），可预设变形方向与能量势垒。例如，将相邻柱单元设置为相反手性（红绿点标记），可协同响应顶部面板的异向旋转，实现90°可控扭转 。

2）单自由度驱动下的多模态变形

• 解耦驱动机制：在自由平移模式下（顶部无约束），旋转驱动器仅激发面内扭转与收缩（收缩率25%）；在自由旋转模式下（底部无约束），线性位移驱动器触发面外收缩（压缩率超50%） 。

• 大变形能力突破：面外收缩率超50%（传统超材料≤2%），且通过累积旋转角度（如实验中的249°净旋转）实现非线性变形放大，为能量吸收器件设计提供新思路 。

3）可编程与可扩展性工程

• 多稳态调控：通过调整折纸柱的折叠角度（如83°实验参数）和单元刚度，构建能量势阱。例如，六边形单元在折叠态与展开态之间形成明确能量屏障，实现机械记忆功能 。

• 即插即用模块：支持四边形、六边形、八边形等多边形单元混合组装，模块间通过标准化接口连接。这种设计使超材料可快速重构，例如将热响应材料模块替换为磁驱动单元，即可实现温控-磁控双模驱动 。

4）多材料3D打印技术赋能

• 喷墨多材料打印技术精准制造：刚性杆件使用弹性模量2.2 GPa的工程树脂，柔性铰链通过树脂材料混合实现梯度刚度（1.7-3.9 MPa）。这种刚柔一体化喷墨数字打印技术确保结构稳定性与变形能力的平衡 。

• 复杂结构快速定制：通过多材料3D打印，可以实现各种结构的快速加工，并且结合模具法，可以扩展其他功能性材料的结构，比如磁性材料结构。

5）跨领域应用图谱

• 机器人变压器：模块化组件可组装为自折叠机械臂，单电机驱动即可实现伸缩、抓取、旋转复合动作 。

• 信息加密器件：利用手性排列的非交换性（如AB组合≠BA组合），构建机械逻辑门，实现物理不可克隆功能（PUF） 。

• 热调节系统：集成形状记忆聚合物模块，温度触发面外收缩，用于智能建筑通风孔的自适应开合 。

3. 论文信息

标题: Modular chiral origami metamaterials

期刊: Nature (IF=64.8)

发表时间: 2025年4月23日

DOI: 10.1038/s41586-025-00000-0

团队: 普林斯顿大学Glaucio H. Paulino教授领衔，Tuo Zhao、Xiangxin Dang为共同第一作者。

来源

科研新知 l

最新Nature，多材料3D打印超材料

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