大牛教你用剪紙發頂刊

一、導讀

剪紙藝術是最古老的中國民間藝術之一，它能給人以視覺上的藝術享受，至今已經有一千五百年的歷史。唐代還出現了專門描述剪紙的詩句。《采勝》詩寫到："剪采贈相親，銀釵綴鳳真。葉逐金刀出，花隨玉指新。"描繪出了唐代佳人剪紙的優美動作和剪出的花鳥草蟲的美麗效果。作為一種原始藝術的載體，它善于將不同空間、時間的物象進行組合，通過一種變形的手法來改變對象的性質、形式，呈現出所需要表現的形象。科學家對于剪紙的應用已經超越了對美術的追求。剪紙技術已經成為開發柔性電子和智能系統等前沿研究的一個強大的工具。剪紙結構是可以拉伸、旋轉和彎曲的，因此，可以借助剪紙技術將二維平面構建成三維結構。通過設計剪紙的圖案，可以得到任意目標形貌。剪紙的創造性將會賦予材料學和工程學不一樣的色彩。

二、剪紙相關的研究進展

1. Nature materials: 基于剪紙的可編程形貌^[1]

與更為知名的“折紙藝術”利用折疊來塑造三維形狀不同的是，剪紙技術利用平面材料上的切口來改變形變方式，使其能夠組裝成三維形狀。長期以來，藝術家們一直使用這種藝術形式來創造各種各樣的東西，從彈出式卡片到城堡和龍。哈佛大學工程與應用科學學院的研究人員受到剪紙的啟發，開發出了一種可以將任何材料變成目標形狀的數學框架。并利用它們建立的算法，通過設計平面切割的數量、大小和方向，二維能夠變成任何給定的形狀。同時，作者認為，這僅僅是利用幾何學、拓撲學和剪紙結合設計三維形狀的開始。

2. Advanced materials：剪紙啟發的、可編程形貌的氣球^[2]

受日本剪紙藝術的啟發，哈佛大學的研究團隊提出了一種“可編程氣球”的創意，可以將氣球塑造成預先設定好的形狀。該系統的剪紙圖案是基于周期性切割的薄板材得到的。這些薄片被嵌入在一個充氣裝置中，當氣球膨脹時，剪紙薄片上的切口會引導其形變。研究人員可以全局的控制擴張的方式，以形成宏觀的形狀，也可以在局部生成細小的形貌。當氣球充氣時，切口會使得氣球在某些地方伸展更多、其它地方則略微收縮，從而讓形貌可控的充氣裝置呈現出一些相當不規則的形狀。該團隊還開發了一個算法，通過優化剪紙圖案的設計，使其能更加地吻合目標的形狀。除了酷炫的三維結構，該文章的作者還希望該方法能夠用于設計制造新型醫療設備以及軟體機器人。

3. Advanced functional materials：剪紙啟發的自組裝三維結構^[3]

三維結構的自組裝提供了一個非常有前景的制造方法，無需人工干預即可實現形狀多樣的功能性三維結構。常用的自組裝方法是利用鉸接結構的刺激響應折疊，然而，這些方法需要在鉸鏈部位設計非對稱的材料和幾何結構，增加了制造過程的復雜性。這篇文章報道了基于剪紙的、無鉸鏈的平面自組裝成復雜三維結構的方法。因為上下兩層材料的性質不同，在外界刺激時，非對稱的膨脹使得材料發生彎曲形變，成形三維結構。并且，作者開發了一個有限元分析模型，以闡明剪紙結構自組裝成形三維結構的機理，并通過實驗的方式驗證了模型的正確性。基于有限元模型，該研究首先驗證了二維剪紙平面自組裝成字母（Advanced Functional Materials），如圖所示。該研究所提出的設計原理可以應用于多種材料，因此，這項研究為智能響應的、無線的和可形變的多功能系統的開發做出了重要貢獻。

4. Advanced materials：基于剪紙的納米尺度的三維結構^[4]

來自卡耐基梅隆大學、西北大學和賓夕法尼亞州立大學的科學家首先利用高精度的微納加工的方法合成了超薄的平面，然后在薄膜上進行切割。在薄膜上設計剪紙圖案，在切口處剪紙系統是不穩定的，當機械力力作用于薄膜時，就會產生三維的納米結構。在薄膜中剪紙圖案的誘導下，殘余應力驅動圖案產生了目標的三維結構。通過設計切口的位置和尺寸，薄膜可以彎曲和扭轉形成各種各樣的形狀，包括對稱和不對稱的三維形貌。這是研究人員首次利用幾十納米厚的薄膜來實現一些不同尋常的三維形。這種基于剪紙的納米加工可以推動微納結構制造和軟體機器人的發展。該研究設計的機器人可以根據環境的變化從一種形狀轉變為另一種形狀。它在高溫下改變形狀，可以使更多的空氣在設備內流動，有效地防止系統過熱。利用該技術制造的柔性電子設備可以應用于微納尺度的夾持器、空間光調制器或飛機機翼上的流量控制等方面。同時，該技術還有望在生物醫學設備和能源收集等方面。

5. Nature biomedical engineering： 基于剪紙的防滑鞋底^[5]

如何防止摔跤？這是一個與人們生活息息相關的科學問題。每年都有很多的人因為滑倒而受到不同程度的傷，影響正常生活。尤其對于老年人而言，摔跤甚至可能意味著生命的結束。近日，美國麻省理工的團隊受自然界中動物千奇百怪的行走方式的啟發，基于創造性的剪紙藝術，開發出一種可以動態調節與地面的摩擦力、有效增加抓地力的新型仿生鞋底。該工作發表在自然雜志子刊《Nature Biomedical Engineering》上，題為：“Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips”。在本報道中，作者們使用鋼片制備出剪紙結構，這種結構可以在鞋底平放和彎曲變形時產生不同的形貌。在步行過程中，通過改變鞋底的曲率來激活剪紙鞋底，以增強鞋底與步行表面之間的摩擦力，并降低滑倒和摔倒的可能性。

6. Science robotics：讓驅動器爬行的剪紙皮膚^[6]

哈佛大學的研究人員已經開發出一種受蛇啟發的軟體機器人。該軟體機器人是使用剪紙技術制造的，依靠切割而不是折疊來改變材料的特性。隨著機器人內部驅動器的伸展，機器人扁平的剪紙結構轉換成一個三維的表面，它可以像蛇皮一樣緊緊地抓住地面。當驅動器縮小時，三維表面恢復至扁平的狀態，推動機器人向前爬行，研究人員在校園里測試了它的爬行能力，如上圖所示。研究小組還探索了不同形狀的剪紙結構，包括三角形、圓形和梯形。他們發現梯形剪紙結構，和蛇鱗的形狀最相似，可以使軟體機器人的步幅更長。軟體機器人的爬行能力可以通過平衡剪紙的幾何形狀和驅動的方式來進一步優化。最后，研究人員制造了一個無線驅動的仿生軟體機器人，車載控制、傳感、驅動和電源都集成在它細小的尾巴里。該工作以“Kirigami skins make a simple soft actuator crawl”發表在《Science Robotics》上

7. Advanced materials：光驅動的剪紙機器人^[7]

軟體機器人通常是基于彈性模量和人體相近的柔性材料制備的，以提升其實際可操作性，提供更安全的人機交互。目前，碳基雙層膜體系、交聯彈性體、水凝膠體系及功能改性硅橡膠等諸多體系已經被廣泛應用于軟體機器人的構建和應用中。智能響應材料體系的引入推動著軟體機器人向著無線、遠程操控以及小型化等方向發展。但是，目前多數軟體機器人的設計和結構仍較為簡單，構建復雜三維結構的智能軟體機器人仍是一項很有挑戰性的工作。近日，臺北科技大學的研究者基于液晶聚合物網絡的光敏性膜為柔性材料，并結合剪紙技術構建光響應的軟體機器人。在光照下，二維剪紙平面可以轉換成三維的功能性結構。該研究借助剪紙技術制備了光驅動的滾動機器人，機器人可以沿著預定的路線行走和在傾斜的表面上運動。相關論文發表于《Advanced Materials》，題為：“Kirigami-based light-induced shape-morphing and locomotion”。

8. Advanced materials：剪紙啟發的水凝膠多觸點開關^[8]

刺激響應材料在軟體機器人，智能設備等方面具有廣闊的應用前景。在各式各樣的設計制造三維結構的策略中，剪紙技術被認為是將平面的材料轉變成復雜的功能性三維結構的強大的工具。浙江大學吳子良課題組4月在《Advanced Materials》期刊上發表題為: ‘‘Kirigami‐Design‐Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch” 的文章。該研究演示了一些基于剪紙的和復合水凝膠片的、可編程的多穩態三維結構。在剪紙結構中，切口的引入破壞了幾何結構的連續性，因此可以有效地增加系統的形變自由度。通過控制每個部位的彎曲方向，可以在單個復合水凝膠中獲得多種三維形貌。也可以通過使用分層設計的剪紙圖案獲得多層結構，再利用多層凝膠結構來實現電路的多觸點開關。基于剪紙結構的可編程形變的設計也適用于其它的智能材料，因此有望應用于生物醫學設備和柔性電子等方面。

9. Science advances：基于剪紙的柔性傳感器^[9]

長時間坐在電腦前會帶來脖子和背部的傷痛，除了購買更符合人體工程學的座椅和定期站立和伸展，用來預防久坐的員工患上肌肉和骨骼等疾病的方法不是很多。在這方面，香港城市大學的研究人員基于剪紙藝術發明了一種新的設備，可以提醒人們在什么時候移動哪些關節。研究人員在《Science Advances》上發表了題為“Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders”的文章。他們制造了一種具有蜂窩形網格的柔性傳感器，這些網格是通過剪紙技術制造出來的。該柔性設備還包含了傳感器，可以將檢測關節運動的電信號，并將信號發送給計算機。剪紙結構帶來的靈活性使得傳感器可以直接貼附在脖子、肩膀、肘部和手腕上。如果長時間不動，電腦上就會彈出一個警告，提示在30分鐘內站立、運動某個關節至少10次等。這款基于剪紙的柔性傳感器最酷的地方在于，被“切割”的部分使得原本堅硬的材料變成可以拉伸和彎曲的，而不會破壞電子設備的性能。此外，相比于傳統笨重的組件，該設備可以直接貼附在可能會出現問題的關節上，更加的方便，將有效地提升人們的身體健康狀態。

10. Materials today: 剪紙啟發的傳感器和電極^[11]

隨著可穿戴傳感器的普及，人們對能在人體運動產生的壓力和應變下而不會損壞的材料的需求越來越高。《Materials Today》報道了一篇基于剪紙的可穿戴傳感器，題為“Kirigami-inspired strain-insensitive sensors based on atomically-thin materials”。與金屬和其它傳統材料相比，石墨烯是非常有前景的一類材料，石墨烯可以在比較大的形變下而不會發生斷裂。石墨烯是一種原子厚度的超薄的材料，該研究團隊將石墨烯封裝在兩層聚酰亞胺層之間。然而，通過在材料上加工剪紙圖案，可以有效地增強材料的可延展性能。研究小組發現，剪紙結構不僅可以提高石墨烯的可延展性，而且該器件不受應變的影響，不會產生運動偽影，這意味著即使材料發生了形變，其電狀性能也不會發生變化。該基于剪紙的傳感器在應變達到240%或者扭轉720度的情況下，其電阻幾乎不會變化。剪紙啟發的高度可拉伸的策略將來可以應用在可穿戴健康檢測的多功能傳感器上。

參考文獻

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