南方科技大學Nat. Commun.：折紙又出大成果

一、【研究背景】

主動折紙是折紙術的一個新興分支，具有改變其結構和特征的能力，如幾何、力學、或電磁特性。主動折紙的自驅動特性使其在極端條件下的應用特別吸引人，例如，空間有限和重量有限，這在微設備、可折疊機器人和航空航天系統中很明顯。然而，制造主動折紙由于其復雜的折痕圖案仍然具有挑戰性。4D打印是一種單步構造活動折紙的方法，具有響應材料的3D打印結構所賦予的綜合刺激響應變形行為。主動折紙能夠精確的部署控制，允許按需調制其屬性，在多場景和多任務應用中是非常可取的。雖然形狀記憶復合材料的4D打印在實現這種主動折紙方面具有很大的前景，但它仍然面臨著承載能力低、可轉換狀態有限等挑戰。在連續纖維增強復合材料的4D打印中，必須解決幾個挑戰，才能成功地創造出具有高承載能力和精確控制的主動折紙。

（1）剛性可折疊折紙的設計需要更復雜的纖維布局來滿足局部剛度；

（2）對復合材料的多物理和高度非線性展開過程仍然知之甚少；

（3）需要建立相關的建模和控制方法，確保主動折紙的精確部署至關重要，最終實現多場景和多任務應用中按需調制其屬性。

二、【創新成果】

本工作報告了報道了一種利用4D打印連續纖維增強復合材料的精確控制電熱折紙的制造-設計-驅動方法，具有優異的機械性能和時空可控性。其主要思路是利用連續碳纖維的加入使電熱折紙通過焦耳加熱實現可控的驅動過程，通過改善熱傳導增加驅動力，并通過增強顆粒增加機械性能。通過建多物理模型并和部署高度非線性的折紙，本工作實現了對活動折紙的精確控制，允許它通過操縱激活參數被重新配置并鎖定到任何所需的配置，我們通過構建可重構機器人、可定制的建筑材料和可編程機翼，展示了電熱折紙的多功能性，從而拓寬了折紙的實際工程應用。相關成果以“Electrothermally controlled origami fabricated by 4D printing of continuous fiber-reinforced composites”為題發表在國際著名期刊Nature Communications期刊上。論文的同學作者為南方科技大學葛锜和熊異教授。

圖1 采用3d打印技術打印的多功能SMP連續碳纖維增強PCEO。?2024 Springer Nature

圖2 形狀記憶復合材料的加熱和形狀恢復性能。?2024 Springer Nature

圖3 通過有限元分析和實驗，實現了電熱折紙的精確控制。?2024 Springer Nature

圖4 可重構PCEO；?2024 Springer Nature

圖5 具有可調機械性能的PCEM；?2024 Springer Nature

圖6 三浦折紙結構陣列的可編程機械響應。?2024 Springer Nature

圖7 可變厚度機翼的設計;?2024 Springer Nature

三、【成果啟示】

本工作開發了一個描述其多物理和高度非線性部署過程的電熱力學模型，證明了形狀恢復過程可以通過操縱激活參數來控制，允許PCEO在不需要預制結構的情況下實現可編程變形，并且在不消耗能量的情況下保持不同的形狀。利用PCEO可構建機器人夾具、機械可調的三浦折紙單元、機械可定制的結構材料和翼型可編程機翼。這些功能在3D復雜、輕型和承重結構中尤其有價值，例如救災結構、主動控制的空氣動力學表面、可展開的太陽能電池陣列和天線。在這些多場景和多任務應用中，機械性能、變形序列和變形角度等關鍵性能可以按需調整，以適應不同的要求。

論文詳情：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46591-3

本文由虛谷納物供稿