近日，上海交通大学密西根学院教师朱宰亨及其合作者在国际知名学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Inverse design of 3D reconfigurable curvilinear modular origami structures using geometric and topological reconstructions”（使用几何和拓扑重建的三维可重构曲线模块化折纸结构的逆向设计）的科研论文。研究团队提出了一个可重构机械超材料的设计框架，能够在任意给定三维弯曲非周期形状内逆向设计可重构性 ，突破了传统三维可重构超材料必须使用恒定周期性形状单胞（unit cell），导致可重构性单一的限制。

微观到宏观制造技术的不断进步，使制造有着自然界内前所未有性能的超材料成为可能。通过人工构造而非自然形成的材料结构，超材料的物理特性并不依赖于材料的分子结构或晶体结构本身，而是源自于精巧设计的几何形状和拓扑结构。近年来人们不断地探索着超材料性能的极限，其中一个方向就是使超材料可重构。可重构超材料的外表形状和内在排布是可调节的，能够以被动、主动，甚至智能的方式调整它们的物理特性，来适应甚至影响变化的外部物理环境。历史悠久的剪纸与折纸技艺，因具有强大的可重构性和广阔的设计空间，而成为了这类材料的理想构建平台之一。然而，大多数基于此类可重构超材料要求其单元具有空间周期性，导致了其难以应用于具有各种曲率的实际工程或是艺术建筑的构建，这类应用场景往往要求单元的大小和形状不再具有均一性。



图 1. （a-e）体积映射和缩放方法（f-g）体积映射和缩放方法在不同形状，不同单元的应用



图 2. 通过基于图论的拓扑重建来获得可重构超材料

为此，由朱宰亨带领的研究团队探索了三维可重构折纸材料的逆向设计框架。通过体积映射（volumetric mapping）和收缩的数学方法（图一），研究团队提出可生成空间梯度单元来适应三维复杂曲线几何体，并对模块进行几何和拓扑重建，赋予可重构超材料给定自由度（图二）。 由于适用于任意给定的曲线非周期形状，这项工作为三维可重构系统的现实应用打下基础。

朱宰亨和上海交通大学航空航天学院周翔副教授为该论文的共同通讯作者。 第一作者是密院博士生肖锴，共同作者是密院硕士生梁子赫和博士生邹璧卉。研究工作得到上海市自然科学基金、中国国家自然科学基金和上海交通大学招聘的非中国外籍教师研究激励计划的资助支持。

背景介绍



朱宰亨，上海交通大学密西根学院副教授，博士生导师。2005年在美国德克萨斯农工大学获得博士学位，2006年至2011年在德克萨斯农工大学和美国克莱门森大学从事博士后研究。2011年至2016年曾任美国北德州大学助理教授。2016年加入密西根学院，主要进行机械超材料，4D打印，非充气轮胎的设计和力学理论研究。曾以通讯作者在顶级期刊Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials和Journal of the Mechanics and Physics of Solids发表过论文。主持国家自然科学基金面上项目。

肖锴，上海交通大学密西根学院2018级直博生，师从朱宰亨副教授。曾获上海交通大学研究生优秀奖学金。研究方向为柔性超材料的逆向设计和力学分析。曾任密院课程VM395和VM495的实验助教。