最新PNAS:讓剪紙“活”起來

海歸學者發起的公益學術平臺

分享資訊,整合資源

交流學術,偶爾風月

剪紙源於中國先唐民間藝術,一把剪刀,一張紙,裁出令人歎為觀止的美妙圖案。近年來,剪紙這門古老藝術逐漸開始在科學界綻放光彩。透過簡單的拉伸讓剪紙“動”起來,來實現二維和三維形變與結構重構,研究人員在薄片上裁剪出了各種功能材料與超材料,展示了在超級可伸縮柔性電子、三維結構自主裝、智慧窗、以及軟體機器人等領域的潛在應用前景。目前,大部分剪紙研究基於類似紙張這種不能感知外部環境變化的非活性材料。如何讓剪紙“活”起來,來響應外界刺激,從而實現智慧二維和三維可控結構重構,成為一個亟待解決的難題。

近日,北卡州立大學尹傑和賓夕法尼亞大學楊澍團隊將摺紙與剪紙相結合提出了一種“啟用”剪紙二維與三維形變的通用方法。首次提出透過多自由度摺疊開啟剪紙切割線,來實現平面結構和三維立體結構重構的機理並建立了相關幾何與力學控制模型。將傳統剪紙與形狀記憶聚合物(SMP)紙張層疊形成環境溫度響應的 “三明治” 活性剪紙,透過引入表面切痕來自發調控摺疊方向與角度,從而實現控制剪紙切割線的開啟與多自由度變形模態調節。展示了在自響應可程式設計二維與三維剪紙超結構、自摺疊剪紙仿生機器、以及剪紙軟體機器人等方面的潛在應用。

北京時間2019年12月17日,論文以”Programmable active kirigami metasheets with more freedom of actuation”為題發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。

摺疊開啟剪紙切割線設計理念與優勢

研究團隊透過在剪紙的切線口引入折線來形成一個類似三稜錐的合頁。摺疊折線自發帶動連線的剪紙單元繞合頁的面內剛性轉動,從而開啟切割線實現二維形狀變化(圖1A-B)。

最新PNAS:讓剪紙“活”起來

圖1:(A-B)引入折線開啟切線示意圖(C-D)沒有折線與有折線對正方形剪紙單元開口角的對比(E)正方形剪紙單元5種二維與三維變形模態示意圖

和沒有折線的剪紙相比,團隊展示了引入折線的三點獨特優勢:

結構重構的極化反轉:透過連續摺疊折線,實現無需解除安裝,切線口從初始的封閉、到開啟、直至再次關閉(圖1D)。研究團隊建立了相應的幾何力學模型來量化折線對結構應變以及剛度的影響,以及展示了極化反轉在剪紙軟體機器人中的潛在應用。

二維與三維結構多自由度可調節性:不同於只有切割線的單自由度的剪紙,透過控制折線摺疊角度,可以輕易同時實現單自由度的二維剪紙以及多自由度的三維剪紙結構重構(圖1E)。研究團隊展示了在可程式設計二維與三維立體剪紙超結構的潛在應用。

環境響應活性剪紙:無需接觸施加機械力來拉伸剪紙變形,折線可以響應周圍環境的變化(比如溫度,溼度,光照,磁場等外在刺激)實現自摺疊,從而實現剪紙結構重構。透過控制折線摺疊方向與角度來調節不同的變形模態,研究團隊展示了在可程式設計自摺疊剪紙仿生機器人中的潛在應用。

環境響應自驅動活性剪紙

二維與三維結構重構

基於自摺疊開啟切割線的設計理念,研究團隊提出了環境響應可程式設計活性剪紙的概念(圖2)。

最新PNAS:讓剪紙“活”起來

圖2:溫度響應活性剪紙二維與三維結構重構。(A)三層結構示意圖,(B)二維剪紙溫度響應的結構重構與極化反轉,(C)有限元模擬剪紙的三維重構,(D)同一剪紙圖案調節變形模態可以生成不同的三維構型與機械效能

活性剪紙由三層紙張重疊粘合而成,上下兩層是普通的列印紙而中間一層是溫度響應可收縮的活性紙(圖2A)。摺疊方向和角度可以相應地由切痕上下層相對位置和切痕寬度來控制。透過控制五種不同的變形模態,研究團隊展示了在同一溫度響應下,切割線被自發開啟甚至極化反轉後重新閉合(圖2B),同一剪紙圖案可以自發生成各種構型與機械效能迥異的二維與三維超結構,比如晶格結構、褶皺結構、以及穹頂結構等(圖2C-D)。

應用:

可程式設計剪紙仿生機器

以及剪紙軟體機器人

利用剪紙的多自由度變形模態以及極化反轉的特性,研究團隊進一步展示了活性剪紙在溫控可程式設計剪紙仿生機器以及轉彎軟體機器人等方面的應用(圖3)。透過設計表面切痕的排布,在溫度響應下, 同一個簡單的剪紙單元可以自發的生成多種形態各異的仿生三維構型(圖3A-C),比如類似水蜘蛛、爬行軟機器人、螃蟹、機械手、以及包裝盒的形態。演示了剪紙機器手從“手指頭”分開到“關節”彎曲來抓取目標物體的過程 (圖3D)。利用極化反轉的特性,研究團隊以簡單的折線剪紙為“身軀”,輔以氣動軟碟機動器為“腿”,演示了爬行軟體機器人原地快速轉彎的便捷性。

最新PNAS:讓剪紙“活”起來

圖3:折線剪紙在可程式設計剪紙仿生機器(A-C)以及剪紙軟體機器人(D-E)的應用展示

最新PNAS:讓剪紙“活”起來

基於折線的幾何與力學約束,研究團隊建立了溫控響應下多自由度活性剪紙的模態變化的理論控制模型。

展望

該工作中剪紙與摺紙相結合的概念理論上可以推廣到更小尺度和其他活性材料比如水凝膠,液晶彈性體,形狀記憶聚合物,和電解質彈性體等,以及相應的外部刺激比如溫度、pH、光、電場以及磁場等。利用剪紙與摺紙的獨有特性,透過控制可逆變形有望實現無約束可重構剪紙機器人。

團隊介紹

該工作由北卡州立大學尹傑團隊主導,與賓夕法尼亞大學楊澍教授合作完成。通訊作者為尹傑教授。該工作共同第一作者是尹傑團隊的唐一超博士和博士生李豔濱,其它作者有尹傑團隊的博士生洪堯燁。尹傑團隊(https://jieyin。wordpress。ncsu。edu/)目前致力於機械超材料,軟體機器人,以及多功能介面材料的研究。

團隊目前正在招收2020年秋季入學的全額獎學金博士生一名,研究方向為活性材料以及軟體機器人。歡迎材料、增材製造、機器人、機械工程、力學以及交叉學科等背景的同學申請北卡州立大學機械與航空工程系尹傑團隊。有興趣者可以傳送簡歷到 yingroup2013@gmail。com 。截止申請日期為2020年1月15日。

文章資訊

Yichao Tang#, Yanbin Li#, Yaoye Hong, Shu Yang, and Jie Yin*, “Programmable active kirigami metasheets with more freedom of actuation”, Proc。Nat。 Acad。 Sci。 USA。, (2019) (# denotes equal contribution)

頂部