北理工方岱寧院士、宋維力、陳浩森團隊在折紙剪紙結構與器件領域取得進展
2020年1月27日，國際頂級材料期刊《先進功能材料》Adv. Funct. Mater. 2020, 1909087（期刊IF=15.621）以“Active reconfigurable tristable square-twist origami“為題在線報道了北京理工大學先進結構技術研究院方岱寧院士、宋維力、陳浩森團隊在多穩態折紙結構的設計及應用方面的進展。
折紙結構在許多科學工程領域都有重要應用，如可重構超材料和機器人等領域。為了獲得獨特的可重構特征，折紙結構的多穩態特性成為科學工程界的研究熱點。該課題組利用經典的Square-Twist折紙結構展示了一種多材料3D打印的三穩態折紙結構。通過調控異質聚合物結構的材料特性和幾何參數，改變折紙結構折疊勢能變化，建立了在Square-Twist折紙構型中獲得多穩態結構的設計原理。在熱激勵條件下，可變形結構紙面區域剛度快速大幅度降低，導致結構紙面區域彎曲自由度增加，從而允許通過釋放彈性折痕區域中預存能量來實現自展開。利用這種獨特的特征和設計原理，設計并制作了具有五種不同工作模式的頻率可重構折紙天線原型，具有可編程多輸入多輸出通信系統應用，旨在大幅提高信道容量和通信可靠性。這些發現和結果為推進主動折紙結構發展提供了設計原理和方法。
該研究團隊發現經典的Square-Twist折紙結構根據可折疊的定理判斷具有16種折疊方法但只有四種獨立的構型，并發現按照其中兩種折疊路徑條件下會形成穩定狀態如圖1a所示。研究者利用多材料3D打印方式制備該結構（折痕區域和紙面區域分別采用模量較低和較高的類橡膠與類樹脂材料），使得該結構通過改變折疊方式具有三種穩態，并利用實驗證明了其穩態的存在如圖1b所示。通過前人的研究可知，紙面與折痕材料的模量比的不同，會引發結構的穩定狀態數量改變。對于聚合物材料體系熱激勵將引起材料模量數量級的變化，使得多材料打印的Square-Twist折紙結構可以發生狀態轉換如圖1c所示。對于不同初始溫度的條件下，結構的自展開溫度不發生變化，可以說明結構確實是由于紙面剛度的變化起主要作用如圖1d所示。兩種穩態的構型折疊與溫升展開勢能曲線示意圖如圖1e所示。 在圖2中，通過巧妙的設計了兩種加載路徑，利用有限元方法分析了Square-Twist折紙結構機械折疊和其熱激勵自展開過程的應變能變化，可以明顯的看出穩態的存在及自展開過程能量的快速變化。研究者對Square-Twist折紙結構的關鍵幾何參數對結構多穩態性質的影響進行了有限元分析和實驗驗證，對于具有三穩態的典型幾何尺寸結構還進行了自展開溫度的研究如圖3所示。
該課題組將結構特殊的多穩態性質用于制備頻率可重構天線，如圖4所示，通過增加輻射貼片，使結構變為非對稱結構，則折紙天線結構會有五種不同構型（天線的電長度會有五種變化）。折紙天線的五種工作狀態分別對應的電流分布和工作頻點回波損耗的有限元仿真結果與實測結果對比也在圖4中進行了展示。該文中實現了一部Square-Twist折紙天線可以代替五部傳統的天線功能，并展望了其在5G的關鍵技術大規模的多輸入多輸出系統中的潛在應用。
【圖文簡介】
圖1.（a）多材料3D打印Square-twist結構的四個典型可折疊折痕圖案，其峰折痕為紅色，而谷折痕為藍色，其中模式I和II為穩定狀態，而模式III和IV為不穩定狀態。（比例尺為10mm） （b）對具有穩態的轉變模式I和II 進行單軸拉伸力學測試，并用插圖說明了實驗過程。 （c）在60℃水浴（溫度均勻的環境）中，對Square-Twist折紙結構具有穩態的模式I和II進行熱驅動自展開，使結構在模式I和II折疊條件下可以快速轉變為初始未折疊狀態。（比例尺為10mm） （d）兩種轉變模式在不同初始溫度下的自展開行為實驗結果。 （e）Square-Twist三穩態轉換過程的勢能曲線示意圖。粉色實線表示室溫下的機械折疊過程，灰色點線表示熱驅動的自展開變形過程。黃星（轉換模式I）和綠星（轉換模式II）為各種穩定狀態的勢能變化關鍵點。
圖2.（a）典型Square-Twist折紙結構的代表性幾何參數。 參數h1，h2，h3和w分別表示Square-Twist結構的中心方形邊長，外緣方形邊長，折痕區域寬度及厚度。 （b）Square-Twist折紙結構I型和II型轉換模式的典型區域（平面和折痕）應變圖。 （c）和（d）表示了折紙結構的應變能有限元分析結果，包括從初始平面狀態到I和II轉變模式的機械折疊過程，以及熱激勵自展開過程。
圖3.（a）Square-Twist折紙結構的有限元分析應變能歸一化結果，其中值δ= 0表示初始應變能狀態，δ= 0?1表示不同幾何參數條件下模式I或模式II的應變能狀態。模式I和模式II的重疊區域即表示該幾何參數條件下結構存在三穩態。 （b）基于有限元分析考慮變量h3 / h1，h2 / h1和w對Square-Twist結構的多穩態進行實驗驗證；（單穩態（菱形）-存在平面狀態；雙穩態（三角形）- 既存在平坦狀態又存在轉換模式I或者II；三穩態（六角星）- 存在平坦狀態及轉換模式I和II）。 （c）Square-Twist折紙結構在具有三穩態的幾何參數條件下轉換模式I和II的熱驅動自折疊行為實驗，其中實驗點表示從室溫加熱到自展開行為的臨界溫度。
圖4.（a）頻率可重構Square-Twist折紙天線的組裝部件。 （b）Square-Twist折紙天線的五種變形模式對應天線不同的工作狀態（Z型輻射貼片），以及相應的模擬電流分布圖。每種構型的插圖都說明了變換前的折紙天線折痕圖，紅色的代表峰折痕和藍色的代表谷折痕。（比例尺為7mm）。 （c）頻率可重構折紙天線（Z型）在五種不同的穩定構型下，通過機械折疊和光熱觸發的自展開形狀轉換實驗過程圖片。（比例尺為10mm） （d）Z型輻射貼片頻率可重構Square-Twist折紙天線的回波損耗的實驗測量結果（S11）。 （e）折紙天線工作頻點有限元模擬和實驗之間的對比結果。
該研究工作第一作者為北理工先進結構技術研究院博士生王蒞辰，宋維力副教授、陳浩森副教授和方岱寧院士為共同通訊作者。
此外，該團隊近期還在折紙剪紙結構能量存儲領域取得進展：（1）扭曲折紙剪紙結構設計引導機械能存儲（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 3450?3458；第一作者為北理工先進結構技術研究院博士生王蒞辰）：將Square-twist構型與Miura-ori構型組合再結合剪紙思想設計了四種組合折紙剪紙構型。對于Square-twist結構折疊和溫升自展開整個過程，可以與電池儲能與釋放的過程相類比，不同的是結構儲存的是機械能，單元結構可以存儲能源約為2.5 × 10?4 J。（2）適用于柔性可變形鋰離子電池的定制化剪紙結構電極（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 780?788；第一作者為北京大學工學院博士生鮑垠樺）：結合普適性的高粘度墨水和可定制化的PDMS軟模板制備了自支撐可變形的剪紙形電極。該電極具有優越的機械穩定性（超過500圈的循環拉伸次數）和穩定的電阻性能。有限元結果表明，柔性可拉伸剪紙電極結構能有效低緩解拉伸/彎曲過程的應力集中。經過500圈拉伸循環后的電極，并且組裝成全電池后充放電循環100周后仍然保持94.5mAhg-1 (0.3C)。
相關論文鏈接：
[1] Li-Chen Wang, Wei-Li Song,* Ya-Jing Zhang, Mei-Jun Qu, Zeang Zhao, Mingji Chen,? Yazheng Yang, Haosen Chen,* Daining Fang.* Active Reconfigurable Tristable Square‐Twist Origami. Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 201909087.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201909087
[2] Li-Chen Wang, Wei-Li Song,* Daining Fang.* Twistable Origami and Kirigami: from Structure-Guided Smartness to Mechanical Energy Storage. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 3450?3458.
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b17776.
[3] Yinhua Bao, Guangqi Hong, Ya Chen, Jian Chen, Haosen Chen,*, Wei-Li Song,* Daining Fang.* Customized Kirigami Electrodes for Flexible and Deformable Lithium-Ion Batteries. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 780?788.
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