基于折纸和剪纸力学超构材料
来源：两江科技评论（ID：imeta-center），作者：九乡河。
古老的折纸和剪纸艺术在构建力学超构材料方面变得流行，并提供了设计指南。通过折叠和切割，简单的2D薄膜材料可以转变为复杂的3D结构，具有独特的力学性能，如变形、柔性、可调泊松比、可调刚度和多稳态。
折纸/剪纸结构不仅由纸制成，还可以由金属、聚合物、水凝胶和石墨烯等制成，尺寸从宏观尺度到微米尺度再到纳米尺度。这已应用于诸多领域，包括柔性电子、医疗器件和机器人。
就力学性能而言，折纸和剪纸是相似的，因为折叠和切割都是将薄膜材料分成柔性区域（即折纸中的折痕和剪纸中的连接）和刚性区域（即折纸和剪纸中的薄板）的力学方法。因此，折纸或剪纸结构的力学行为在很大程度上取决于折纸或剪纸图案赋予的柔性和刚性之间的平衡。然而，折纸和剪纸提供了不同和独特的行为。
折纸结构从初始平面状态折叠成压缩体积，而剪纸结构从初始状态拉伸成扩展结构。此外，折纸-剪纸混合设计正在出现，将这两个概念结合起来，以充分利用两者的优势。
在设计力学超构材料时，最重要的概念之一是机械能量景貌，它描述了在变形的超构材料结构空间中，应变能随几何/变形量的变化而变化。机械能量景貌几乎影响力学超构材料的所有特性，例如其可展开性、稳定性和刚度。
近日，西湖大学姜汉卿教授团队回顾了基于折纸和剪纸力学超构材料，将基于薄膜材料的折叠或切割、基于折纸/剪纸的力学超构材料分为三类：
基于折纸的（仅折叠）
基于剪纸的（仅切割）
折纸-剪纸混合（折叠和切割）。
根据弹性能量景貌将每组细分为刚性（存储的能量增加或仅连接）和可变形（存储在折痕或连接和面板中的能量）。对于每一类折纸和剪纸，从力学角度回顾了其变形机制、设计原理、功能和应用。
最后，讨论了基于折纸和剪纸的力学超构材料的未来方向和挑战。相关研究发表在《Applied Physics Reviews》上。（徐锐）
文章链接：
Z. Zhai, L. Wu, H. Jiang. Mechanical metamaterials based on origami and kirigami. Applied Physics Reviews, 2021, 8(4).
