Nature正刊！超越静态结构：3D打印赋能的可编程手性折纸超材料系统

大自然的启示与工程的革新

10小时前刚发表的Nature正刊！

自然界的变形艺术，从花朵绽放到蜂巢构建，一直启发着材料科学家追求更智能、更适应性强的人造结构。

如今，普林斯顿大学研究团队在最新一期《Nature》杂志上发表了题为《Modular chiral origami metamaterials》的开创性研究，他们利用多材料3D打印技术创造出一种模块化手性折纸超材料系统，实现了令人惊叹的多模态变形能力。

这种超材料突破了传统静态结构的束缚，在单自由度驱动下实现扭转、收缩和缩短三维协同变形，为解决机器人、建筑节能和信息加密等领域的关键挑战提供了全新思路。

了解文章之前，理解手性

「手性」是一个源自几何学和化学的基本概念，指的是一个物体或系统不能与其镜像重合的性质。

从更直观的角度来理解，就像人的左右手。

它们是镜像关系，但无论如何旋转或移动，左手和右手都无法完全重合，这就是手性的本质。

在材料科学和超材料领域，手性结构具有独特的物理性质。

手性超材料能够以不同方式响应左旋和右旋刺激，例如光、声波或机械扭转。

这种文章中描述的「模块化手性折纸超材料」利用了结构单元的手性特性，使其能够沿不同方向扭转。

通过精心设计单元的手性排列，研究人员能够创造出具有可预测变形行为的超材料系统，实现如文章所示的复杂多模态变形。

这种手性特性是实现扭转与收缩耦合运动的关键因素，也是该超材料系统多功能性的基础。

传统超材料的局限与新型系统的突破

传统的机械超材料往往只能在几何线性区域内实现有限变形，变形模式单一，且通常仅在单轴变形下表现出有效的物理性能。

如图1所示，标准弹性材料在受到扭矩时仅产生扭转变形（图1a），而典型的扭转超材料在压缩下虽能将线性运动转化为旋转，但其变形耦合且仅限于小应变（≤2%）（图1b）。

研究团队创新性地提出了一种结合辅助平面镶嵌和折纸柱阵列的可重构超材料系统，实现了平移和旋转的解耦驱动。

如图1c所示，该系统可以在两种独立的驱动模式下运行：自由平移下的扭转或自由旋转下的线性位移。

无论哪种模式，这种可重构组件都能通过单自由度驱动在三个正交方向上按需收缩或扩张。

多材料3D打印：精确控制的尖端技术

研究团队利用Stratasys 多材料PolyJet 3D打印机制造了这一复杂的模块化系统。

这种打印技术采用类似喷墨打印的工作原理，但不是喷洒墨水，而是喷射光敏聚合物液滴，然后通过紫外光固化。

这种技术可以在单次打印过程中精确控制多种材料的分布，实现从刚性到柔性的全光谱材料特性。

变形单元采用了精心设计的两组件结构：刚性杆件和软关节。

杆件由工程塑料打印，弹性模量高达2.2 GPa，确保了结构的基本形态稳定性。

而软关节则是通过打印过程中实时混合其他材料，按照特定公式精确控制其弹性模量。

这种精确的材料梯度控制在传统制造方法中几乎不可能实现。

这种打印技术能够在单个构件中实现Shore-A硬度从30到95的全谱系材料特性，使研究人员能够根据需要的变形行为精确调整每个关节的刚度。

AM易道认为，Nature的学术成果说明了多材料3D打印技术不仅是制造工具，更是设计工具，它突破了传统制造方法的材料和几何限制，使得基于几何非线性的复杂功能结构变为可能。

惊人的变形能力：扭转、收缩与缩短的协同舞蹈

这种超材料系统展现了前所未有的变形能力。

在单自由度驱动下，组件可以在0°至90°之间扭转，平面内收缩高达25%，同时平面外收缩超过50%。

如图2所示，在自由平移条件下的旋转驱动实验中，研究团队设计了一个三步加载过程：

第一步，执行器逆时针旋转83°，产生超材料的扭转变形，同时边缘自然收缩，高度减小；

第二步，执行器顺时针旋转83°，高度继续减小，边缘扩张；

第三步，执行器顺时针旋转83°，边缘长度和高度最终减小。

最终，净扭转为顺时针83°，而累积扭转为249°。

另一方面，如图3所示，在自由旋转条件下的线性位移驱动实验中，研究团队采用了特殊的边界条件设置：

顶部自由旋转板和底部固定板通过带有球体传递的微型滚轮连接到旋转方形部件。

从状态(1)到(2)，组件在轴向方向收缩，几乎不扭转；从状态(2)到(3)，组件继续收缩并强烈旋转超过60°。

理论模型与实验验证：理解变形机制

为了深入理解这种复杂变形行为，研究团队开发了一种基于杆铰模型的替代模型，用于模拟超材料在不同层次（单元、柱和带旋转方形镶嵌的组件）的多模态变形。

如图4所示，这种模型能够准确预测超材料在扭转和压缩负载下的行为，包括扭矩-累积扭转角曲线、能量-累积扭转角曲线以及体积变化比-累积扭转角曲线。

模拟结果与实验结果高度一致，例如，在自由平移条件下的扭转模拟中，变形快照和扭矩变化趋势与实验结果定性吻合，特征是白色和红色单元的顺序折叠以及扭矩曲线上的三个局部峰值。

同样，在自由旋转条件下的压缩模拟中，模拟的扭转角约为63°，与实验相符。

可重编程模块化组件：功能的定制化设计

这种超材料系统最令人兴奋的特性之一是其高度的可重编程性。

如图5所示，研究团队采用了一种即插即用策略来创建具有所需机械性能的可重编程超材料。

模块化偶极由两个具有相反手性的单元组成，在偶极几何体的中间层表现出扭转变形。

研究团队选择了三种具有不同弹性模量的材料来制造这些偶极，从而获得不同的承载能力和能量屏障。

通过精心设计的组装规则，他们创建了由21个偶极组成的三维组件，该组件表现出四种稳定状态，每个稳定状态的峰值负载逐渐增加。

这些机械性能可以通过选择替代的组装规则进行重编程。

例如，使用相同数量的偶极但采用不同组装规则的新组件表现出完全不同的机械行为—每个稳定状态的峰值负载几乎相同。

此外，任何稳定状态下的承载能力都可以重新编程，展示了系统的高度灵活性和适应性。

跨学科应用前景：从机器人到建筑节能

研究团队展示了这种模块化手性折纸超材料系统在多个领域的潜在应用，如图6所示。

在机器人领域，通过在多模态组件中加入磁偶极元件，可以在受控磁场存在下实现远程驱动和操控，创造出一种无束缚的机器人超材料，能够同时实现运动和变形。

这种系统可以在三种模式下运行：运动模式、变形模式和变形-运动组合模式。

在建筑节能方面，多稳态模块化超材料通过集成辐射冷却器和太阳能吸收体等光谱选择性光学材料，实现了在加热和冷却模式之间的切换。

通过控制白色和黑色区域暴露在阳光下的比例，可以控制总反照率，从而控制阵列对太阳能的吸收程度。

此外，通过在折叠和展开状态之间切换，超材料可以捕获不同厚度的空气层，控制对流热流，从而实现前所未有的建筑多模态热调节，对能源消耗产生重大影响。

该系统还展示了机械滞后器和非交换状态转换等有趣的机械特性，为机械计算和信息加密等领域开辟了新的可能性。

扩展数据：更深入的技术细节

扩展数据图1至图8提供了关于这一超材料系统的更多技术细节。

如扩展数据图1展示了模块化格子单元几何形状，扩展数据图2展示了机械测试设置的示意图，包括边界条件和加载条件。

扩展数据图3和图4分别展示了手性模块化单元和具有不同组成单元的手性模块化柱的多模态变形替代模型模拟。

特别值得注意的是扩展数据图5，它展示了两个柱的扭转实验，这两个柱的手性模块排列和材料组成不同，验证了模拟结果的准确性。

扩展数据图6展示了精确控制磁驱动机器人超材料的电气系统，这对于实现无束缚的远程操控至关重要。

扩展数据图7和图8则分别展示了光学增强的多稳态折纸组件和两层手性超材料的非交换状态转换，进一步展示了系统的多功能性和复杂行为。

思考与展望：走向市场的潜力与机遇

当我们的工程能力逐渐接近模仿自然界的精妙结构时，我们不禁要问：

这些鲜活的结构将如何重塑我们的物质世界？

而更重要的是，它们将为哪些行业创造显著的商业价值？

在建筑节能领域，这种超材料有望革新智能外墙系统。

随着全球对建筑能效的要求不断提高，可自适应调节的外墙系统市场空间巨大。

这种超材料不需要复杂的电子控制系统，通过简单的机械驱动即可实现对阳光和热量的智能管理，大幅降低建筑空调能耗，有望成为零能耗建筑的关键组件。

在微型机器人领域，无束缚的磁控变形机器人有望在医疗、搜救和工业检测等领域创造巨大价值。

在能量吸收与防护领域，这种可编程多稳态结构可用于开发新一代个人防护装备、运动器材和车辆安全系统。

通过精确控制能量吸收过程，这些产品可以提供更高水平的保护，同时保持轻量化和舒适性。

信息加密与存储领域则是另一个充满潜力的市场。

利用超材料的非交换状态转换特性，可以开发全新的机械计算和信息加密系统，为数据安全提供物理层面的保护，这在量子计算时代尤为重要。

AM易道认为，这种模块化手性折纸超材料系统的商业化之路虽然还面临材料耐久性、大规模制造成本和系统集成等挑战，但其独特的多功能性和适应性使其具有巨大的市场潜力。

而对于3D打印行业本身，这项研究也展示了多材料打印从原型制造向功能部件制造转变的强大势头。

它不再仅仅是一种快速原型工具，而是成为了实现复杂功能结构的关键使能技术。

随着打印材料、精度和速度的不断提升，以及设计软件与仿真技术的进步，我们或许正站在4D打印和可编程材料的产业爆发前夜，即将迎来一场从静态结构到动态适应系统的行业升维。

AM易道结语

在这篇登上《Nature》正刊的研究中，折纸灵感与3D打印交融映照了材料科学的飞跃。

研究团队通过多材料3D打印技术实现了模块化手性折纸超材料的精确构建，从而突破了传统超材料的变形极限，创造性地实现了扭转、收缩与缩短的多模态解耦变形，犹如大自然赋予蓓蕾展放的生命力。

更为惊艳的是，这种超材料系统不仅在结构上展现出精妙的可重编程性，还在应用上实现了从磁控机器人到建筑热调节的跨学科拓展，证明了其在不同尺度、不同领域的适应性与巨大潜力。

这种材料系统将几何学、力学、材料科学融为一体，实现了从分子设计到宏观功能的完美协奏。

而实现这场科学大融合盛宴的，正是唯一且必选的数字制造技术，3D打印。

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文章信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08851-0