我国学者与海外合作者在可重构多稳态折纸式变形结构研究方面取得进展

　　

图 （a）折纸多构态变形结构构建；（b）双稳态变形结构单元；（c）多稳态变形结构

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52192631、52320105005、51835002）等资助下，哈尔滨工业大学邓宗全院士空天折展与变形机构团队联合天津大学陈焱教授团队、英国牛津大学ZHONG YOU教授团队在可重构多稳态折纸式变形结构研究方面取得新进展。相关成果以“折纸启发的可重构多稳态变形结构（Reconfigurable origami-inspired multistable metamorphous structures）”为题，于2024年5月29日发表在《科学?进展》（Science Advances）杂志，论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adk8662。

　　变形结构越来越多地应用于航空航天、深海探测、交通运输等领域的高端装备中，对提升装备的能源利用效率、运行速度、极端环境适应能力发挥着极为重要的作用。这也要求变形结构具备大范围灵活运动、多构态连续变形能力，但传统的变形结构形式单一，不具备灵活组合变换的能力。近些年，基于折纸的变形结构在特种机器人、变形飞行器、机械超材料等领域越来越多地受到科学家及工程师们的关注，为大量工程问题提供了新的解决方案。但是，目前多数折纸变形结构为非刚性结构，变形过程中折痕和板面位置会产生形变，这使其稳态特性高度依赖于结构的材料属性，限制了结构的构型变换和功能重构能力。

　　为此，该研究团队提出了一种模块化可重构的多稳态折纸式变形结构，该变形结构由上下两层折纸单元组合构建，通过引入特定位置折痕的交替激活与休眠机制，实现了结构在目标构型间的可控重复变形。利用刚性折纸的运动分岔和折痕结构弹性形变，实现了构型变换过程中机构运动与结构形变的解耦。基于结构运动全过程的能量变化规律，建立了结构稳态特性与折纸单元形态参数调控关系，为多稳态折纸式变形结构的多形态构型设计提供了理论基础。研究人员通过合理设计机构-结构刚柔复合形式，消除了板面结构材料形变对机构重构运动的影响。利用3D打印技术研制了多种可重构多稳态变形结构，通过集成智能材料驱动单元展示了此类结构在多功能机器人系统和变构型飞行器中的应用潜力。同时，利用所提出双稳态模块单元结构的二维可扩展性，研究人员还开发出多种性能可编程的折纸式结构超材料，实现了几何构型和力学特性的重复变换，大幅增加了折纸式结构超材料的设计空间。

　　该创新成果为自适应抓捕机器人、变构型空天飞行器等领域的理论研究和工程应用开辟了新思路。