磁控“活”灯笼：可编程的多稳态结构

研究人员开发出一种形似“中国灯笼”的聚合物结构，当它被压缩或扭转时，可以快速变换成十多种弯曲的三维形态。这种形变可以通过磁场远程触发和控制，为广泛的实用领域打开了可能性之门。

为了构建这个灯笼，研究团队首先从一张切割成菱形平行四边形的薄聚合物片材入手。然后，他们在片材中心切割出一系列间距均匀的线条，形成由顶部和底部实心材料条带连接的平行带状结构。当这些顶部和底部条带的末端被连接起来时，片材自然折叠成一个圆形的、类似灯笼的形状。

“这个基础形状本身是双稳态的，”论文通讯作者、某大学机械与 aerospace 工程系教授 Jie Yin 说道。“换句话说，它有两种稳定的形态。当然，它在灯笼形态下是稳定的。但是，如果你压缩这个结构，从顶部向下推，它会开始缓慢变形，直到达到一个临界点，然后它会迅速卡入第二个类似陀螺的稳定形态。在陀螺形态下，结构储存了你用来压缩它的所有能量。因此，一旦你开始向上拉动结构，你会达到一个点，所有储存的能量会瞬间释放，导致它非常迅速地弹回灯笼形态。”

“我们发现，通过扭转形状、将灯笼顶部或底部的实心条带向内或向外折叠，或者这些操作的任意组合，我们可以创造出许多额外的形态，”论文第一作者、该大学前博士生 Yaoye Hong 说道，他现在是另一所大学的博士后研究员。“这些变体中的每一个也都是多稳态的。有些可以在两个稳定状态之间来回快速切换。其中一个具有四个稳定状态，具体取决于你是压缩结构、扭转结构，还是同时压缩和扭转结构。”

研究人员还通过在底部条带上附加一层磁性薄膜，赋予了灯笼磁性控制能力。这使他们能够利用磁场远程扭转或压缩这些结构。他们展示了该设计的几种可能用途，包括一个可以无害抓取和释放鱼类的温和磁性夹持器，一个可以在水下打开和关闭的流量控制过滤器，以及一个可以从紧凑形状突然向上延伸以重新打开塌陷管道的机构。

为了更好地理解和预测灯笼的行为，研究团队还创建了一个数学模型，展示了每个角度的几何形状如何影响最终形态以及在每个稳定构型中储存了多少弹性能量。

“这个模型使我们能够编程我们想要创造的形状、它的稳定程度，以及当储存的势能被允许瞬间释放为动能时，它能产生多大的力量，”Hong 说道。“而所有这些对于创造能够执行所需应用的形状都至关重要。”

“展望未来，这些灯笼单元可以组装成二维和三维结构，广泛应用于形状可变的机械超材料和机器人技术中，”Yin 表示。“我们将对此进行探索。”

这项名为《通过储存弹性能实现独立带状簇元结构中的可重编程快速变形形态发生》的论文于10月10日发表在《Nature Materials》期刊上。FINISHED