童年的折纸，哈佛大学科学家拿来发了一篇《Nature》！

作者|高分子科学前沿  来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

【数百年历史】

折纸(origami)是一种古老的日本折纸艺术（也有说法认为折纸起源于中国和西班牙），世界上最早有关于折纸的记录，是江户时代俳句诗人井原西鹤于1680年写下的俳句。这首俳句中提及名为“雄蝶·雌蝶”的折纸作品。在结婚仪式中，“雄蝶·雌蝶”挂在酒壶口部。所以折纸到底起源于何时已经不可考，这也成为了今天许多日本人认为折纸起源于日本的间接证据。1797年，三重县桑名市长円寺的僧人义道一円写出了世界第一部折纸书《秘传千羽鹤折形》并将之出版。

图1《秘传千羽鹤折形》

【不仅仅是艺术】

折纸除了作为一种玩具和艺术之外，它还能够与自然科学结合，并发展出了现代几何学的一个分支——折纸几何学。折纸结构紧凑的折叠，并在纳米或宏观尺度上轻易地展开。因此，折纸在机器人、太阳能电池阵列和被称为超材料的工程结构等领域应用广泛。近日，哈佛大学的Chuck Hoberman、Katia Bertoldi等人合作，设计了可展开的、多稳态的可展开刚性壁结构（rigid-walled deployable structures）。依据几何分析和实验，研究人员构筑了一个可通过单一流体压力输入进行展开的双稳态折纸图形库。通过将这些单元结合，进一步实现了宏观尺度（米级别）功能结构的构筑，如拱门和应急避难所等。该研究为构筑可展开、坚固的大型可展开系统提供了新的思路，并以“Multistable inflatable origami structures at the metre scale”为题发表在了最新一期的《Nautre》上。

在工程学上，可展开结构可以通过改变自身的形状从而极大地改变其尺寸。典型的例子包括剪叉式升降机和充气城堡等。传统的可展开结构主要通过相互连接的杆元件(如剪叉式升降机)或充气膨胀(充气城堡)实现。然而，连杆结构虽然相对稳定，但是组装繁琐；充气结构则需要良好的气密性，如果阀门泄漏或者被刺破，容易很快萎缩甚至发生爆炸事故。

【可小可大】

为了解决上述问题，研究人员借鉴于折纸，提出了以下几种要求：（1）折叠时占据的空间最小化；(2)可以自主展开；(3)展开后能够自主锁定；(4)外壳的结构牢固稳定。因此，需要设计具有两个或多个稳定平衡态(系统能量最小化的构象)的封闭折纸形状。在没有外力的情况下，折纸能够保持这种平衡态。

然而，在展开状态下要实现折纸结构不同稳定状态之间的切换，就必须克服能量势垒。由于构成折纸形状的面（三角形面）不能弯曲或拉伸，因此在展开过程中，它们在几何上互不兼容。研究人员等人用可伸缩铰链连接这些刚性面。铰链的变形完美的解决几何不相容问题，实现了整个系统两个稳态之间的转变。

图2 构筑大型可展开与双稳态结构的基础单元——三角形面

通过计算、分析与实验积累，研究人员成功构筑了一个60厘米高、150厘米宽的充气拱门(初始状态为高20厘米、宽30厘米的折叠纸)；以及一个2.5×2.6×2.6米的帐篷式避难所（初始状态为长2米、宽1米、高0.25米的折叠纸）。该工作为宏观尺度上可展开的、稳定的折纸结构提供了新方向。更重要的是,这些折纸结构可以包含两个甚至更多相互独立的稳定状态,为设计可切换形状的结构提供了可能。

【广阔的应用前景】

然而在极大规模（10-100米）工程应用中，这种折纸系统的应用潜力还需要进一步的评估。目前的数据主要来源于数值模拟和实验室受控环境下的物理原型（以米为尺度）。这种材料被假设是无质量的，因而缺乏内部的应力，十分坚固。但这种假设很明显不适用于极大的物体。如之前报道，一个横跨56米的折纸人行桥的数值分析显示，其巨大的自重会导致其铰链和面上产生压缩和拉伸应力的变化和变形。

此外，大跨度结构还需要在展开的各个阶段具备足够的强度和刚度，以满足建筑法规。这意味着它们必须能够抵抗极端负荷，如飓风等（尤其是灾区的紧急避难所）。

另一个问题就是纸张的厚度，这种极其薄的材料很难与其他厚的材料相兼容。而用于建筑或结构应用的材料不仅需要坚固，还必须具有较长的使用寿命和其他功能，如调节热传递等。因此，这类材料将比纸厚得多，这就需要使用厚度可变的材料来构筑整个系统。进一步的，由于铰链通常是任何工程设计中最昂贵和最薄弱的元素，减少折痕的数量将有助于大大降低制造成本和加强折纸结构。

总结：研究人员创建了可展开的双稳态的折纸结构，这种结构可以节省存储空间、运输成本和组装时间，且自主展开锁定的特性还能够保证展开后的结构更加牢固。为构筑可展开、坚固的大型可展开系统提供了新的思路。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03407-4

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)