近年来，折纸结构与技术作为一个前沿研究领域，在空间结构、吸能结构、机器人等应用中展现了巨大的潜力。但是，受限于传统制造方法，现有折纸结构主要由单一材料构成，无法兼顾可承载与可折叠这两大刚柔相悖的力学功能。例如，使用纸张折叠形成的折纸结构，拥有良好的可折叠性，却无法承受较大的载荷；而使用金属材料制成的折纸结构，承载能力优异，却无法折叠。
针对这一问题，南方科技大学机械与能源工程系副教授葛锜团队联合香港大学机械工程系教授陆洋团队在Nature Communications上发表文章Multimaterial 3D Printed Self-locking Thick-panel Origami Metamaterials，提出了一种可以使折纸结构兼具可折性与大承载能力的设计与制造策略。通过刚柔耦合Miura厚板折纸结构的巧妙设计，实现“压转拉”的特殊变形模式，使得折纸结构能够承受自身重量1万1千倍以上的静态载荷，并可以有效得吸收动态载荷所产生的冲击能。该工作利用折纸结构与技术这一前沿研究领域作为研究载体，将机构运动学、结构力学、超弹性力学、板壳理论等力学知识有机融合，并通过多材料3D打印这一先进成型技术将所设计的折纸结构一体化制造，用于检验“压转拉”折纸结构设计理论。
如图1所示，基于现有FDM多材料3D打印技术，该团队提出了不受材料性质与结构形状限制的“包裹式”多材料3D打印方法，克服了现有FDM多材料3D打印软硬材料界面力学性弱的问题，实现了折纸结构刚性面板与柔性铰链的一体化融合和强韧力学界面，并利用TPU柔性铰链大变形能力，赋予厚板折纸结构完全可折能力。
图1. 基于“包裹式”多材料3D打印方法实现厚板折纸结构刚性面板与柔性铰链的一体化融合和强韧力学界面。
基于上述厚板折纸结构制造方法，该团队提出了一种基于Miura折纸构型的自锁厚板折纸结构（图2）。该折纸结构在承受面内载荷时可以折叠，而在面外方向则展现出优异的承载能力（可承受自量1万1千倍以上的载荷）。不仅如此，该自锁折纸结构还展现出独特的“压转拉”变形模式，将垂直方向的压力转化为TPU柔性铰链的拉力，从而使得结构能够承受超过60%的压缩应变，并且在40%应变下可循环压缩100次以上。
图2. 自锁折纸结构展现出优异的可折叠和承载能力。
为确保所设计的自锁厚板折纸结构展现“压转拉”变形而非“屈曲”变形，该团队融合结构力学、超弹性力学与板壳理论建立了描述Miura厚板折纸结构压缩变形的理论模型，并开展参数化研究。如图3，通过构筑三维设计空间图，明确实现“压转拉”变形模态的设计参数域。
图3. 自锁厚板折纸结构力学模型与三维设计参数空间。
此外，如图4所示，自锁厚板折纸结构通过“压转拉”的变形模式，有效地将垂直冲击载荷有效地转化为TPU柔性铰链的水平拉伸，并延长冲击接触时间，将大量冲击能量耗散在柔性铰链的拉伸过程中，极大地降低了冲击力初始峰值，实现冲击吸能效果。
图4. 自锁厚板折纸超材料展现出优异的抗冲击性能。
南方科技大学与香港城市大学2020级联培博士生叶海涛为论文的第一作者，葛锜、陆洋为论文共同通讯作者，南科大为论文第一单位。
本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会和香港城市大学基金的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37343-w
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