“百變”剪紙: Nat. Mater. + Sci. Adv.

在自然界中，形態(tài)的瞬間變化往往關乎生存。例如，捕蠅草能在 0.1 秒內(nèi)合攏葉片捕捉獵物，貍藻則以毫秒級速度爆裂氣泡吸入昆蟲。這些高速動作源于生物體內(nèi)儲存的彈性能量，在外界刺激下瞬間釋放，觸發(fā)“彈躍失穩(wěn)”（snapping instability）—— 一種兼具快速、可逆、高效的天然機制。

受此啟發(fā)，科研人員在桿梁、折紙/剪紙、殼體等人工結(jié)構中成功實現(xiàn)了單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)的彈躍形變，但整體仍受限于形態(tài)單一、設計空間有限與缺乏重編程能力。特別是在三維自支撐曲面中，要實現(xiàn)如自然界般豐富且可逆的快速形態(tài)轉(zhuǎn)變，仍是一項重大挑戰(zhàn)。

值得關注的是，具備多穩(wěn)態(tài)與低能耗穩(wěn)定性的結(jié)構，不僅能實現(xiàn)形態(tài)記憶與自復原，還為可重構、自適應軟體機器人帶來了全新機遇。如何在有限能量下實現(xiàn)精準驅(qū)動與多模態(tài)運動——如跳躍、爬行、轉(zhuǎn)彎或穿越復雜地形——已成為該領域的重要科學問題。

針對這些挑戰(zhàn)，美國北卡羅來納州立大學尹杰（Jie Yin）課題組提出了基于“剪–粘儲能”（cut-and-paste energy storage）的創(chuàng)新方法，用以構建具有可編程與可重編程特性的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構。該方法具有高度普適性，可適用于桿梁、條帶、折紙、剪紙及殼體等多種體系。

基于這一思路，團隊首先提出了一種由多條細帶組成的燈籠狀多穩(wěn)態(tài)帶簇超材料單元（lantern-shaped ribbon-cluster meta-unit）。該結(jié)構在組裝過程中通過帶條的彎曲與扭轉(zhuǎn)儲存彈性能，從而實現(xiàn)了前所未有的多穩(wěn)態(tài)可編程彈躍形變（snapping morphogenesis）。研究表明，單個單元即可在邊界翻轉(zhuǎn)、拉伸或扭轉(zhuǎn)載荷下展現(xiàn)超過十三種三維彈躍形態(tài)，并能在單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)、三穩(wěn)態(tài)甚至四穩(wěn)態(tài)之間自由切換。該成果以“Reprogrammable snapping morphogenesis in ribbon-cluster meta-units using stored elastic energy”為題發(fā)表在Nature Materials上，論文第一作者為洪堯燁（Yaoye Hong）博士。

進一步地，團隊在殼單元體系中發(fā)展出多穩(wěn)態(tài)可展薄殼超結(jié)構（multistable developable shell metastructure），能夠在無需外部鎖定力的情況下，僅通過簡單的拉伸與壓縮自由切換超過20種穩(wěn)定形態(tài)。研究還提出了“動態(tài)虛擬折線（dynamic virtual crease）”的新概念，揭示了多穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的內(nèi)在力學機理。由于具備低能壘與多穩(wěn)定特性，這類薄殼結(jié)構非常適合與多種驅(qū)動機制結(jié)合。

研究團隊將其與磁場驅(qū)動與電驅(qū)柔性薄膜相結(jié)合，構建出一系列具有多響應特性、自適應能力的“超構機器人”（metabot）。其中包括：一種能夠在磁場下實現(xiàn)多步態(tài)跳躍與爬行的自適應磁驅(qū)動機器人；以及一種能在磁場與電刺激下自主轉(zhuǎn)向、爬行的雙響應可重構軟體機器人。這些機器人可根據(jù)環(huán)境實時調(diào)整體態(tài)，實現(xiàn)跨越障礙、穿越狹縫等復雜運動，展現(xiàn)出卓越的靈活性與能效。相關成果以“Multistable thin-shell metastructures for multiresponsive reconfigurable metabots”為題發(fā)表在Science Advances上，論文第一作者為博士生周才植（Caizhi Zhou）。

燈籠狀多穩(wěn)態(tài)帶簇超材料單元

研究團隊提出了一種簡便高效的“剪與粘”制造方法（圖一）：通過激光切割，將薄片材料（如PET薄膜）裁剪成多條平行細帶，再在兩端角點處重新粘接，薄片便從平面結(jié)構“彈”成立體的燈籠狀帶簇單元。在這個過程中，通過調(diào)節(jié)二維條帶之間的夾角（第一個歐拉角 β），研究者能夠精確控制單元內(nèi)部儲存的彈性能量。

當 β 較小時，結(jié)構以扭轉(zhuǎn)為主，形變平緩；而當 β 超過某個臨界值后，系統(tǒng)進入彎曲主導區(qū)間，觸發(fā)明顯的“彈躍”轉(zhuǎn)變。正是這種角度驅(qū)動下的能量差，使燈籠狀單元能夠在壓縮或扭轉(zhuǎn)中展現(xiàn)出多種可預測的三維形態(tài)，為后續(xù)的多穩(wěn)態(tài)調(diào)控與功能設計奠定了基礎。

更令人驚喜的是，這種結(jié)構在成型后仍具備“重編程”能力。研究團隊發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)第二個關鍵角度——翻轉(zhuǎn)角 α，也就是翻轉(zhuǎn)單元的上下邊界方向，結(jié)構內(nèi)部的能量分布可被重新配置。由此，單個單元就能在“花瓶”“沙漏”“錐體”等多種宏觀形態(tài)之間自由切換，每種形態(tài)都對應著獨特的彈躍路徑與失穩(wěn)模式。這種 α 驅(qū)動下的形態(tài)重編程，使得結(jié)構具備了類似生物體“變形記憶”的特征。

在此基礎上，團隊又引入了第三個控制參數(shù)——扭轉(zhuǎn)角 γ。γ 決定了結(jié)構在不同形態(tài)間轉(zhuǎn)換所需跨越的能量屏障，也意味著它可以“指揮”彈躍的方向。當單元處于“花瓶態(tài)”時，輕微調(diào)整 γ 就可能讓結(jié)構突然跳變?yōu)榫o湊的“沙漏”或旋轉(zhuǎn)收縮的“陀螺”形態(tài)。這種由 γ 主導的變形路徑進一步拓寬了結(jié)構的動態(tài)響應能力。

當 β、α 與 γ 三個歐拉角協(xié)同作用時，燈籠狀帶簇單元展現(xiàn)出前所未有的三維形態(tài)自由度。

其內(nèi)部的彎曲—扭轉(zhuǎn)耦合機制讓結(jié)構能夠在多種潛在路徑中自動選擇最優(yōu)變形路線，形成自發(fā)演化的多穩(wěn)態(tài)行為。實驗與模擬表明，單個單元即可實現(xiàn)十三種以上穩(wěn)定或多穩(wěn)態(tài)形態(tài)，為未來可重構、可編程的軟體超材料和機器人提供了全新設計思路。

圖一 多穩(wěn)態(tài)三維燈籠剪紙單元

燈籠剪紙應用前景：受限環(huán)境中的快速抓取與流體控制

為驗證燈籠狀帶簇超材料的可控性與應用潛力，研究團隊在單元頂部附加了磁響應彈性體，并通過外加旋轉(zhuǎn)磁場對其進行驅(qū)動，成功演示了“花苞–盛放”的可逆轉(zhuǎn)變過程 （圖二）。隨著磁場角度逐漸增加，單元在僅0.06秒內(nèi)便完成了從張開的“盛放”狀態(tài)快速閉合為緊密的“花苞”球殼；當磁場反向調(diào)節(jié)時，結(jié)構又在0.04秒內(nèi)重新舒展成“盛放”形態(tài)。更為重要的是，閉合后的花苞無需持續(xù)外部能量維持，能夠自持穩(wěn)定。

圖二 受限環(huán)境中的應用：柔性機械抓手、流體控制閥門、受限可展結(jié)構

這種“花苞–盛放”式的動態(tài)演化被研究團隊進一步轉(zhuǎn)化為一種適用于受限環(huán)境的非侵入式抓手。在水下實驗中，研究人員展示了該結(jié)構如何快速包裹并抓取活體魚類、魚卵等柔軟而脆弱的目標。與傳統(tǒng)機械夾持不同，球殼式閉合的包裹方式避免了硬接觸帶來的損傷，真正實現(xiàn)了溫柔而高效的抓取和釋放。此外，研究團隊還將其原理拓展至流體控制。通過在單元的一端封接柔性膜片并嵌入管路，他們構建了一個可遠程驅(qū)動的軟體閥門。當結(jié)構處于“花瓶”態(tài)時，液體可自由通過；而在磁場作用下跳變?yōu)椤吧陈睉B(tài)時，帶簇的扭轉(zhuǎn)使內(nèi)置管道產(chǎn)生褶皺和阻斷，瞬間完成流體關閉。釋放磁場后，結(jié)構自動恢復為初始形態(tài)，閥門重新開啟。與傳統(tǒng)閥門相比，這種設計不僅響應更快、結(jié)構更柔順，還能在不規(guī)則和受限空間內(nèi)可靠工作，為柔性輸運系統(tǒng)和微創(chuàng)醫(yī)療器械提供了新的可能。

多穩(wěn)態(tài)可展薄殼超結(jié)構

研究從一張帶有“H形”切口的PET薄片開始（圖三）。當切開的內(nèi)邊緣被重新粘合在一起時，薄膜會自發(fā)彈起成對稱的三維殼體結(jié)構，內(nèi)部儲存了可觀的彈性應變能。這種預存的能量賦予了它多穩(wěn)態(tài)特性——可以在多個穩(wěn)定形狀之間自由切換。隨著粘合距離的增大，薄膜中儲存的能量增加，穩(wěn)定形態(tài)的數(shù)量也隨之迅速增長：從最初的4種，增加到多達20種。令人驚訝的是，這種薄殼單元的“形變效率”遠超現(xiàn)有的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構單元，是常見折紙結(jié)構的4倍以上。當多個單元相互連接時，還能組合出數(shù)百種穩(wěn)定形態(tài)，為構建多功能可重構材料與機器人奠定基礎。

圖三 多穩(wěn)態(tài)可展薄殼超結(jié)構變形效率以及潛在應用

簡單拉壓導致形態(tài)轉(zhuǎn)化以及折疊的“動態(tài)虛擬折線”

在實驗與仿真中，研究人員詳細揭示了這些形態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。通過輕微的按壓或拉起殼體特定區(qū)域（如拱頂或側(cè)邊），結(jié)構會在不同形態(tài)間“跳躍”切換，而且每一種形態(tài)都能獨立保持穩(wěn)定（圖四a）。這種轉(zhuǎn)變對應著材料內(nèi)部能量的重新分配：當局部彎曲能量積累到臨界點時，結(jié)構就會“啪”地一聲翻轉(zhuǎn)，進入新的穩(wěn)定狀態(tài)。能量圖譜的分析顯示，這些“形態(tài)躍遷”背后隱藏著類似物理勢壘的機制，決定了每種形態(tài)之間的切換難易程度。

圖四 拉壓導致多穩(wěn)態(tài)形狀變化以及動態(tài)虛擬折線折疊原理

為了理解這種復雜的形變機制，研究團隊引入了一個新概念——動態(tài)虛擬折線（dynamic virtual creases）。與傳統(tǒng)折紙中的真實折線不同，這些“虛擬折線”是由材料內(nèi)部應力分布形成的“無形折線”。當這些區(qū)域的彎曲能量集中時，就像折紙被“暗中折疊”了一樣，引發(fā)結(jié)構形態(tài)的躍遷。通過有限元仿真與可展曲面理論相結(jié)合的分析（圖四b），研究發(fā)現(xiàn)這些虛擬褶皺可以分為三類：I型（黃色）：位于弧邊的水平褶皺；II型（綠色）：位于四角的傾斜褶皺；III型（紫色）：位于中央的交叉褶皺。不同褶皺的激活與折疊，正是形態(tài)轉(zhuǎn)變的“控制開關”，決定了結(jié)構如何彎曲、翻轉(zhuǎn)與回彈。

應用：自適應磁驅(qū)多步態(tài)跳躍與爬行機器人

研究團隊將磁性彈性薄帶貼在關鍵觸發(fā)區(qū)域，通過外部磁場控制，實現(xiàn)了結(jié)構的遠程形態(tài)切換與多模態(tài)運動（圖五）。在不同磁場方向下，薄殼機器人能自由轉(zhuǎn)換八種穩(wěn)定形態(tài)：翻轉(zhuǎn)、卷曲、伸展、折疊，在地面上跳躍、爬行、轉(zhuǎn)身，并能在無持續(xù)能量輸入的情況下保持形態(tài)。比如， 在“跳躍模式”下，它像跳蚤一樣迅速躍起；當切換為“爬行模式”后，它又能貼地前進。更令人驚喜的是，它能在復雜地形中自適應切換步態(tài)：遇到障礙時躍起越過，進入狹縫時又能收攏身體穿行。

圖五 自適應磁驅(qū)多步態(tài)跳躍與爬行機器人展示

應用：雙響應可重構可轉(zhuǎn)向軟體爬行機器人

團隊還進一步開發(fā)出一款能同時響應磁場與電信號的“雙響應爬行機器人”（圖六）。它由兩個多穩(wěn)態(tài)單元串聯(lián)組成，中間嵌入壓電薄膜（PVDF），在交流電刺激下產(chǎn)生周期性彎曲，實現(xiàn)振動驅(qū)動。磁場的加入則能改變結(jié)構形態(tài)，讓機器人在多種構型之間自由切換：它能直行、倒退、原地旋轉(zhuǎn)、甚至自主拐彎，在“T形狹道”中自由穿行。這一設計首次實現(xiàn)了軟體機器人的結(jié)構重構與路徑控制統(tǒng)一，讓機器人不再依賴復雜機構，而是通過內(nèi)部彈性能量與外場協(xié)同實現(xiàn)智能導航。

圖六 雙響應可重構可轉(zhuǎn)向軟體爬行機器人展示

展望：從結(jié)構到智能，開啟形變材料的新篇章

從“燈籠狀多穩(wěn)態(tài)帶簇超材料”到“磁驅(qū)多模態(tài)軟體機器人”，研究團隊正逐步搭建起從形態(tài)編程到智能運動的完整體系。前者揭示了如何通過幾何參數(shù)的設計與重編程，實現(xiàn)三維結(jié)構在多穩(wěn)態(tài)間的自由切換；后者則進一步將這種結(jié)構自由度與磁電響應材料相結(jié)合，使得機器人能夠在外場驅(qū)動下展現(xiàn)多種運動模式——包括自適應跳躍、變形爬行與復雜地形穿越。

這兩項研究的結(jié)合，標志著軟體機器人正從“被動形變”邁向“主動決策”的新階段。借助多穩(wěn)態(tài)結(jié)構的能量景觀可編程性與磁驅(qū)動的可遠程控制性，未來的機器人有望具備更高的環(huán)境適應性與任務自主性，實現(xiàn)無需外部連線的自驅(qū)動、可重構、多功能運動。

展望未來，這一系列工作不僅為可重構機械超材料和自適應機器人系統(tǒng)提供了新的設計思路，也為柔性制造、生物仿生與智能醫(yī)療器械等領域開辟了廣闊前景。可以預見，隨著多穩(wěn)態(tài)結(jié)構力學與多場耦合驅(qū)動技術的進一步融合，形變材料將從“可變形”走向“有智慧”，開啟軟體機器人和智能結(jié)構的新篇章。

論文鏈接：

Y. Hong, C. Zhou, H. Qing, Y. Chi, J. Yin, “Reprogrammable snapping morphogenesis in ribbon cluster meta-units using stored elastic energy”, Nature Materials, in press (2025)，

DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-025-02370-z

C．Zhou et al.，Multistable thin-shell metastructures for multiresponsive reconfigurable metabots. Sci. Adv. 11, eadx4359(2025).

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adx4359