3D打印技術(shù)參考注意到，2025年第2篇與與3D打印技術(shù)相關(guān)的nature正刊文章于4月23日發(fā)表。來(lái)自 普林斯頓大學(xué)的研究人員，發(fā)表了題為“Modular chiral origami metamaterials（模塊化手性折紙超材料）” 的文章。該研究的核心內(nèi)容是借助3D打印技術(shù) 開(kāi)發(fā)出了一種具有多模態(tài)變形機(jī)制的模塊化手性折紙超材料，它在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，實(shí)現(xiàn)了突破性的進(jìn)展。

這項(xiàng)研究的第一作者為趙拓，其本科就讀于大連理工大學(xué)，現(xiàn)為普林斯頓大學(xué)博士后研究員。

研究背景

機(jī)械超材料是通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人工材料，能像“變形金剛”一樣展現(xiàn)出超越普通材料的神奇性能。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用剛性連接的八面體桁架、凱爾文晶格等單元結(jié)構(gòu)，在輕量化特性、抗沖擊行以及和斷裂研究方面具有價(jià)值，但這些結(jié)構(gòu)變形方式較為單一，如同只能直線拼裝的樂(lè)高積木。

而升級(jí)版的折紙超材料借鑒了折紙和剪紙規(guī)律，使用柔性鉸鏈連接，材料能夠在三維空間實(shí)現(xiàn)自由變形，如同能折疊伸展的折紙作品。這種設(shè)計(jì)不僅突破了傳統(tǒng)線性變形的限制，還通過(guò)手性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)與拉伸的耦合效應(yīng)。但幾何非線性引入的多自由度變形仍然需要集成控制或外部激勵(lì)來(lái)驅(qū)動(dòng)。此外，現(xiàn)有研究多聚焦在單軸加載下的有限物理特性。

研究突破

趙拓等人最新研發(fā)的超材料能夠通過(guò)單一控制即可實(shí)現(xiàn)平動(dòng)+扭轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，還能在三個(gè)方向自由伸縮膨脹。

這款材料的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自折紙藝術(shù)，融合了兩種特殊結(jié)構(gòu)：手性螺旋陣列（像DNA雙螺旋決定扭轉(zhuǎn)方向）和拉脹鑲嵌結(jié)構(gòu)（像蜂巢般被拉伸時(shí)會(huì)變厚）。它的創(chuàng)新在于模塊化組裝方式，能像樂(lè)高積木一樣自由更換組件：既能調(diào)整出近零/負(fù)泊松比等特殊性能，又能預(yù)設(shè)多種穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)優(yōu)化模塊形狀、手性特征和材料屬性，就像在給材料編寫(xiě)程序，能精準(zhǔn)控制結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，如設(shè)置不同能量屏障。

這種“可編程超材料”應(yīng)用潛力巨大，可以制作抗震緩沖裝置；跨界融合磁/熱/光功能后，既能造出會(huì)變形還能移動(dòng)的機(jī)器人，又能開(kāi)發(fā)智能溫控建筑。整個(gè)設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)材料單一功能的限制，讓單一控制實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)成為可能，真正實(shí)現(xiàn)了材料與智能系統(tǒng)的深度融合。

3D打印在模塊化手性折紙超材料制造中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)參考注意到，這種模塊化的手性折紙超材料由單元格、鉸鏈連接的鑲嵌結(jié)構(gòu)以及裝配板等組成。這些結(jié)構(gòu)都采用PolyJet 3D打印技術(shù)制造。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是精度高、可實(shí)現(xiàn)多種材料一體制造，能夠滿足超材料復(fù)雜的幾何形狀和不同力學(xué)性能的要求。

由鉸接鑲嵌和手性origami靈感來(lái)的晶格單元組成的多模式超材料

單元格由桿和軟關(guān)節(jié)兩部分組成。在制造過(guò)程中，桿使用了四種彈性模量接近的材料，約為2.2GPa；軟關(guān)節(jié)在打印過(guò)程中混合了多種材料，彈性模量根據(jù)不同的材料組合分別達(dá)到1.7MPa、2.7MPa和3.9MPa。這種多材料的3D打印方式使得超材料的不同部分能夠具備不同的力學(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的多模態(tài)變形行為。

3D打印技術(shù)能夠精確構(gòu)建出模塊化手性折紙超材料的各種復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。以六邊形單元格為例，其展開(kāi)高度為28.3mm，折疊高度為12.6mm，多邊形半徑為16.8mm。這些精確的尺寸參數(shù)對(duì)于確保單元格在變形過(guò)程中的穩(wěn)定性和可重復(fù)性至關(guān)重要。此外，3D打印還能實(shí)現(xiàn)從基于殼的折紙到基于桿的格形單元的轉(zhuǎn)換，為超材料的幾何設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。通過(guò)3D打印，研究人員能夠輕松地將各種正多邊形作為單元格的頂部和底部面進(jìn)行組合，從而創(chuàng)造出具有不同幾何特性和變形性能的超材料模塊，如四邊形、六邊形和八邊形單元格等。

模塊化手性折紙超材料的制造過(guò)程高度模塊化。各個(gè)單元格可以單獨(dú)進(jìn)行3D打印和測(cè)試，然后根據(jù)需要進(jìn)行組裝，形成更大規(guī)模的超材料結(jié)構(gòu)。這種模塊化組裝方式不僅提高了制造效率，還便于對(duì)超材料的性能進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。研究人員可以通過(guò)改變單元格的幾何形狀、手性賦值以及材料組合等方式，快速制造出具有不同力學(xué)響應(yīng)的超材料模塊，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬分析來(lái)評(píng)估其性能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料整體性能的精確調(diào)控。同時(shí)，模塊化組裝還使得超材料的維修和更換變得更加簡(jiǎn)便，只需對(duì)有問(wèn)題的模塊進(jìn)行替換即可，無(wú)需重新制造整個(gè)結(jié)構(gòu)。

總的來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)在該超材料的制造過(guò)程中扮演了關(guān)鍵角色，它實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建，同時(shí)將多種材料一體3D打印，為創(chuàng)造具有集成力學(xué)性能的超材料提供了制造技術(shù)，極為關(guān)鍵。

本研究的超材料基于高度模塊化的組裝，使得不穩(wěn)定性和局部手性的控制可以重新編程，具有可調(diào)的承載能力和可擴(kuò)展性。為多模式、多穩(wěn)定性和可重新編程機(jī)器提供了途徑，可應(yīng)用于機(jī)器人變壓器、熱調(diào)節(jié)、滯回回路中的機(jī)械記憶、非交換態(tài)躍遷以及用于能量吸收和信息加密的即插即用功能組件。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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