基于折纸技术，研发新型超材料

文|陈根

“超材料”（Metamaterial）是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。超材料设计思想新颖，通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。

超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。

折纸是一门历史悠久的艺术，这种可以将二维材料转换成复杂的三维结构的设计方法，为超材料的设计提供了一种新的思路，且这种几何设计方法不受模型尺寸和材料的限制。

近日，在AIP出版的《Applied Physics Reviews》中，美国和中国的研究人员从折纸艺术中获得灵感，发现了新的折纸和剪纸设计，特别是弯曲的折纸设计、混合折纸-剪纸设计、模块化设计和层次化设计。

研究人员根据两个不同的标准，将基于折纸和剪纸的人工工程超材料分为六组。根据弹性能量景观，每组材料又被细分为刚性或可变形类别。如果能量只储存在折痕或连接处，则超材料被归为刚性材料；如果能量同时储存在折痕或连接处和面板上，则超材料被归入可变形类别。

随后，研究人员又将超材料分为三类，包括基于折纸的超材料（仅折叠）、基于剪纸的超材料（仅切割）、基于折纸-剪纸混合的超材料（既折叠又切割）。发现混合型折纸-折纸超材料，在形变方面有很大的潜力。

基于折纸的机械超材料可以应用于许多领域，例如柔性电子、医疗设备、机器人、土木工程以及航空航天工程等。传统上，纸可被用来做超材料的原型，但纸的脆弱性和可塑性存在一定的限制。而该研究为探索具有不同性质的，薄或厚、软或硬、弹性或塑料的超材料提供了帮助。