折纸的魅力远远超乎你的想象！

一、背景介绍

折纸是一门源于中国的传统艺术，可以将纸张折叠出三维形状。中国历史中，折纸主要是儿童用作消遣时间和祈福的艺术。后来经日本折纸创作家吉泽章加以改良，使之更加富有创造性。通过简单的折叠，我们可以将平面变成丰富多样的三维结构，比如植物、动物甚至机器人。我们可以根据实际的需要，通过设计折叠方式，可以定制满足特定需求的折纸结构。因为折纸创造性的编程能力，其近来受到了广大科研工作者们的青睐。因为折纸结构可以实现大尺度的收缩和伸展，以及多自由度的变形，折纸已经广泛应用在航空航天、DNA折叠、超材料等领域。更进一步的，科学家们在折纸结构中加入了动态的元素，让折纸结构可以在外界刺激下改变自身的形状、大小，实现多种形态的运动。因此，动态折纸给科研人员提供了更大的设计空间，更加丰富的折纸结构以及以前柔性材料难以实现的功能。下面看一下科学家如何玩转折纸，以及有哪些超乎常人想象的折纸结构。

二、应用

1.构建三维结构

1）折纸启发的平面自折叠可以在三维结构中加入大量表面相关的功能。在过去的几年里，自折叠技术用于开发和制造多种多功能设备。然而，绝大多数的方法仅限于简单的折叠、特定的材料或者尺度大，使它们不适用于微尺度的和形状复杂的设备。在这里，代尔夫特理工大学研究者Amir A. Zadpoor团队提出一种机械自折叠技术。这项技术只需要整体拉伸激活、适用于大范围的材料、允许顺序自锁的多层结构、并可以缩小到微观尺度。该团队结合两个永久变形的剪纸元素的类型，基于多稳定性或塑性变形，用弹性层来创建自折叠的基本单元。折角大小可以使用切割的模式和尺寸来控制，计算模型可以精确地预测弹性层的形变。这些基本单元以模块化的方式组建不同尺度的三维结构。此外，从平面状态开始，该团队不仅能够精确地控制任意复杂的变化模式，而且能灵活的折叠成三维结构。这种方法有许多潜在的应用，包括制造多功能结构、可植入的医疗器械、可形变的医疗设备和微型机器人。该研究以“Kirigami-enabled self-folding origami”发表在Materials Today上。^[1]

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.08.001

图1 平面自折叠成三维结构

2）基于折纸的三维形变，包括折叠、滚动和屈曲，在力学、光学和电子学方面有广阔的应用前景。复旦大学梅永丰团队提出了一种自发滚动折纸的策略用于大规模制造3D微结构。由于微液滴的触发，沉积的纳米膜可以大规模地卷起来。液体引起的纳米膜的滚动提供了广泛的材料选择，以及通过控制微滴的运动可以精确的控制卷曲。实现智能化构造设计好的几何图形。此外，这种液体引发的分层现象和构建的微结构可以应用在蒸汽传感、微谐振器、微马达和微致动器等。这项研究提供了一个具有结构简单、能大规模制造的、成本低、通用性强、可设计等特点的基础研究和实际应用。该研究以题为“Microdroplet-guided intercalation and deterministic delamination towards intelligent rolling origami” 发表在Nature Communications。^[2]

文献链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-13011-w

图2 折纸启发的3D微结构制造

3）自折叠是用来制作结构复杂的、具有优异功能的、三维形状的有效方法。麻省大学Ryan C. Hayward团队在这里介绍了一个简单的机制，使用两种不同温度响应的水凝胶，将驱动分为两个步骤，实现自折叠的微观折纸结构。首先，通过在高温下选择性地膨胀两种水凝胶中的一种，对顶点进行预偏移，使其向期望的方向移动。随后，当折痕被折叠到目标角度后，冷却至室温，激活第二种水凝胶的膨胀。每个顶点都可以单独编程向上或向下移动，甚至在高度复杂的多顶点的情况下，也可以实现期望的形变。这为设计变形材料提供了新的策略，扩大了其潜在的应用领域，如软机器人、传感器、机械超材料和可伸展设备等。该研究以“Enabling Robust Self-Folding Origami by Pre-Biasing Vertex Buckling Direction” 发表在Advanced Materials上。^[3]

文献链接：

DOI: 10.1002/adma.201903006

图3 水凝胶自折叠成拍翼鸟的形状

2.刺激响应折纸系统

1）人造肌肉为机器的安全的驱动带来了希望。然而，人造肌肉的设计、制造和使用往往受到其材料成本、工作原理、可扩展性、单自由度收缩驱动等的限制。在这里，受折纸的启发，哈佛大学的Robert J. Wood团队提出一个流体驱动的人工肌肉。这个系统只需要一个可压缩的骨架、灵活的皮肤和流体介质。该团队建立了一个力学模型来解释这三个组成部分的相互作用。该文介绍了一种使用不同材料快速且低成本的方法制造不同尺度的人工肌肉。这个人造肌肉可以通过编程来实现多轴运动，包括收缩、弯曲和扭转。这些运动可以被集成拥有多个自由度的系统，产生不同速率的可控运动。该团队的人造肌肉可以在负压力下由液体驱动(相对于环境)。这个特性使其比大多数带电的人造肌肉更安全、有效。压力实验表明这些肌肉可以收缩超过 90% 的初始长度, 产生600 kPa的压强，峰值功率密度大于2kW/kg。这开启了快速设计和低成本制造驱动的大门，适用于多种规模、范围的应用系统，从微型医疗设备到可穿戴机器人、外骨骼以及空间探索的大型可伸展结构。该研究以“Fluid-driven origami-inspired artificial muscles” 发表在PNAS上。^[4]

文献链接：

https://www.pnas.org/content/114/50/13132

图4 基于折纸结构的驱动器

2）从DNA合成到机器人技术，折纸艺术为无数领域的创新提供了解决方案。如果实现主动折叠、可以独立移动和改变形状，折纸甚至可以产生更广泛的影响。然而，目前的动态折纸的材料在强度、速度和应变方面都是有限的。在这里，布里斯托大学的Jonathan Rossiter团队引入一个静电有源折纸概念：电折纸，它克服了这些限制。电折纸可以实现简单、便宜、轻便、高效、功能强大、可伸缩的电子执行机构和轻量级、超薄的机器人。可以很容易地使用任何组合的导电和绝缘材料制造。该团队提供的致动器可以举起自身重量1000倍的重物，收缩长度达到自身长度的99.8%，并且提供相当于肌肉的能量比和功率比。该论文还展示了他们的多功能性：多致动器网格、3d打印和纸张致动器、自扭转螺旋等。还可以实现更复杂的电折纸设备包括螺线管、自适应夹具、机器人纤毛、移动机器人、人工肌肉和动态折纸艺术。该研究以题为“Electro-ribbon actuators and electro-origami robots”发表在Scientific robots上。^[5]

文献链接：

DOI: 10.1126/scirobotics.aau9795

图5 电驱动折纸理念

3.折纸机器人

1）今天，机器人是我们工业和家庭环境的合作伙伴，和我们并肩工作在装配厂、手术室、和家庭中。他们修剪草坪，吸收地板灰层，甚至还可以挤牛奶。最重要的，如果我们能解决一个挑战，他们可能在我们生活中扮演更加重要的角色。机器人包括身体和大脑，但很少有人能同时做到这两点：身体和大脑编码。许多开源工具可以帮助编码，但很少帮助制造机器人。折纸机器人可能会填补这一空白，将材料和机器人连接的更近，重新定义如何制造和使用机器人。折纸机器人的结构和功能是由折纸所决定的。它们身体的动态折叠使其具有驱动能力。典型的折纸机器人开始是一个单一的平面，然后折叠成一个复杂的三维形态。下面这篇文章提醒我们聚焦于折纸机器人， 将折纸元素融入到机器人的设计和制造过程中。科研工作者们已经设计了很多的折纸机器人，考虑到折纸创造性的编程能力，折纸机器人应当有更加广阔的前景。该文章以“Spotlight on origami robots”发表在Science Robotic上。^[6]

文章链接：

DOI: 10.1126/scirobotics.aat0938

图6 折纸机器人

2）大自然通过独特的运动模式展现了其适应性和极端的形状变化。他们中的许多单一的形状变化机制，如化学肿胀、皮肤拉伸、折纸/几何变形、被人们成功地模仿实现。然而，仍然存在着一种未经探索的自然变形机制，这种机制是“单模”系统无法复制的变形机制。其中一个例子是鹈鹕鳗鱼嘴的“双模”变形，它先张开嘴，然后展开嘴，以最大限度地提高开口所能吞噬的猎物数量。在这里，首尔大学的Kyu-Jin Cho团队介绍了一种鹈鹕鳗鱼启发的双变形结构，实现由流体压力驱动的折纸展开和皮肤拉伸响应的行为。在这个系统中，模仿变形鹈鹕鳗的可伸缩和折叠框架的原理，流体路径是封闭的，并由一套完全可拉伸的折纸单位组成。这种流体的几何和弹性设计在网络中，流体压力首先作用于整个身体展开的方向，然后实现双模态的响应。为了验证设计规则的有效性，该团队建造了一个人工系统，仿生其双模态变形行为。该团队展示了软体机器的结构，以传统的折纸为框架，实现套管结合自适应抓取、爬行和大范围的水下运动。该论文可以为生物启发，适应极端变形的系统的设计提供指导。该文章以题为“Bioinspired dual-morphing stretchable origami”发表在 Science robotics上。^[7]

文章链接：

DOI: 10.1126/scirobotics.aay3493

图7 仿生折纸双模态机器人

2）折纸可以实现紧凑和轻量级的结构，然而传统折纸结构本质上是不可变形的刚性板。因此，在这些结构中实现能量存储和自锁很有挑战性。首尔大学的Kyu-Jin Cho团队注意到瓢虫错综复杂的翅膀，其在飞行过程中能够快速有效地展开，这些能力源于昆虫翅膀上纹理的特殊几何形状。受瓢虫翅膀的折纸启发，该团队展示的顺应面的变形和几何形状可以实现能量存储和自锁。在兼容折纸的基础上，该团队开发了可展开滑翔机模块的多模态机器人。滑翔机模块可压缩折叠，可快速展开，能够有效的维持空气动力，如图8所示。该研究“Ladybird beetle–inspired compliant origami”发表在Science robotics 上。^[8]

文章链接：

DOI: 10.1126/scirobotics.aaz6262

图8 瓢虫启发的折纸机器人

三、展望

随着人们对折纸结构的认识进一步加深，以及智能驱动材料的发展，折纸将会出现在我们生活的方方面面。从玩具到医疗设备，再到航空航天，都会有折纸结构的身影。正如折纸大师Robert Lang说过："If you look up into space, or the operating room, you're likely to see origami. And it may one day save a life." 折纸就像醇酒，时间越长，就越醇香，在科学发展的过程中逐渐散发出越来越迷人的魅力。

参考文献：

[1] T. Van Manen, S. Janbaz, M. Ganjian, A.A. Zadpoor, Kirigami-enabled self-folding origami, Materials Today, 32 (2020) 59-67.

[2] B. Xu, X. Zhang, Z. Tian, D. Han, X. Fan, Y. Chen, Z. Di, T. Qiu, Y. Mei, Microdroplet-guided intercalation and deterministic delamination towards intelligent rolling origami, Nat Commun, 10 (2019) 5019.

[3] J.H. Kang, H. Kim, C.D. Santangelo, R.C. Hayward, Enabling Robust Self‐Folding Origami by Pre‐Biasing Vertex Buckling Direction, Advanced Materials, 31 (2019) 0193006.

[4] S. Li, D.M. Vogt, D. Rus, R.J. Wood, Fluid-driven origami-inspired artificial muscles, Proc Natl Acad Sci U S A, 114 (2017) 13132-13137.

[5] M. Taghavi, T. Helps, J. Rossiter, Electro-ribbon actuators and electro-origami robots, Science Robotics, 3 (2018) eaau9795.

[6] D. Rus, C. Sung, Spotlight on origami robots, Science Robotics, 3 (2018) eaat0938.

[7] W. Kim, J. Byun, J.-K. Kim, W.-Y. Choi, K. Jakobsen, J. Jakobsen, D.-Y. Lee, K.-J. Cho, Bioinspired dual-morphing stretchable origami, Science Robotics, 4 (2019) eaay3493.

[8] S.Y. Sang-Min Baek, Soo-Hwan Chae, Dae-Young Lee, Kyu-Jin Cho, Ladybird beetle–inspired compliant origami, science robotics, (2020) eaaz6262.

本文由Enzo供稿。

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