南方科技大学Nat. Commun.：折纸又出大成果

一、【研究背景】

主动折纸是折纸术的一个新兴分支，具有改变其结构和特征的能力，如几何、力学、或电磁特性。主动折纸的自驱动特性使其在极端条件下的应用特别吸引人，例如，空间有限和重量有限，这在微设备、可折叠机器人和航空航天系统中很明显。然而，制造主动折纸由于其复杂的折痕图案仍然具有挑战性。4D打印是一种单步构造活动折纸的方法，具有响应材料的3D打印结构所赋予的综合刺激响应变形行为。主动折纸能够精确的部署控制，允许按需调制其属性，在多场景和多任务应用中是非常可取的。虽然形状记忆复合材料的4D打印在实现这种主动折纸方面具有很大的前景，但它仍然面临着承载能力低、可转换状态有限等挑战。在连续纤维增强复合材料的4D打印中，必须解决几个挑战，才能成功地创造出具有高承载能力和精确控制的主动折纸。

（1）刚性可折叠折纸的设计需要更复杂的纤维布局来满足局部刚度；

（2）对复合材料的多物理和高度非线性展开过程仍然知之甚少；

（3）需要建立相关的建模和控制方法，确保主动折纸的精确部署至关重要，最终实现多场景和多任务应用中按需调制其属性。

二、【创新成果】

本工作报告了报道了一种利用4D打印连续纤维增强复合材料的精确控制电热折纸的制造-设计-驱动方法，具有优异的机械性能和时空可控性。其主要思路是利用连续碳纤维的加入使电热折纸通过焦耳加热实现可控的驱动过程，通过改善热传导增加驱动力，并通过增强颗粒增加机械性能。通过建多物理模型并和部署高度非线性的折纸，本工作实现了对活动折纸的精确控制，允许它通过操纵激活参数被重新配置并锁定到任何所需的配置，我们通过构建可重构机器人、可定制的建筑材料和可编程机翼，展示了电热折纸的多功能性，从而拓宽了折纸的实际工程应用。相关成果以“Electrothermally controlled origami fabricated by 4D printing of continuous fiber-reinforced composites”为题发表在国际著名期刊Nature Communications期刊上。论文的同学作者为南方科技大学葛锜和熊异教授。

图1 采用3d打印技术打印的多功能SMP连续碳纤维增强PCEO。©2024 Springer Nature

图2 形状记忆复合材料的加热和形状恢复性能。©2024 Springer Nature

图3 通过有限元分析和实验，实现了电热折纸的精确控制。©2024 Springer Nature

图4 可重构PCEO；©2024 Springer Nature

图5 具有可调机械性能的PCEM；©2024 Springer Nature

图6 三浦折纸结构阵列的可编程机械响应。©2024 Springer Nature

图7 可变厚度机翼的设计;©2024 Springer Nature

三、【成果启示】

本工作开发了一个描述其多物理和高度非线性部署过程的电热力学模型，证明了形状恢复过程可以通过操纵激活参数来控制，允许PCEO在不需要预制结构的情况下实现可编程变形，并且在不消耗能量的情况下保持不同的形状。利用PCEO可构建机器人夹具、机械可调的三浦折纸单元、机械可定制的结构材料和翼型可编程机翼。这些功能在3D复杂、轻型和承重结构中尤其有价值，例如救灾结构、主动控制的空气动力学表面、可展开的太阳能电池阵列和天线。在这些多场景和多任务应用中，机械性能、变形序列和变形角度等关键性能可以按需调整，以适应不同的要求。

论文详情：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46591-3

本文由虚谷纳物供稿