厚板摺紙，在工程應用中具有巨大潛力。然而，當前設計方法創建的厚板摺紙由於製造方法低效，不能被輕鬆地應用於結構應用中。
在此，來自香港城市大學&南方科技大學的研究者，報導了一種設計和製造策略，用於創建具有優異可摺疊性和能夠承受循環載荷的厚板摺紙結構。相關論文以題為「Multimaterial 3D printed self-locking thick-panel origami metamaterials」發表在Nature Communications上。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37343-w
機械超材料是一種人造材料，其機械性質主要由其幾何形狀而非其組成決定。由於機械超材料表現出無法在塊材料中獲得的傑出機械性質和功能，因此它們引起了廣泛的研究興趣，並在各個領域中找到了應用。最近，研究人員對基於摺紙的超材料表現出極大的興趣，這些超材料展示了從二維表面到三維結構的無限幾何變換可能性，以實現非常規的性質，如負泊松比、可調/分級機械性能和多穩定性。
剛性可摺疊摺紙或剛性摺紙是摺紙的一個子集，其中通常是剛性板面繞預定的鉸鏈旋轉而無需在連續摺疊過程中進行張彎變形。因此，剛性可摺疊摺紙可以被視為具有堅硬面板和鉸鏈的展開機構，在各種工程應用中具有優勢。一般來說，剛性可摺疊摺紙圖案是從將平面視為具有零厚度的理想化模型中創建的。為了使剛性可摺紙摺紙更適用於工程應用，研究人員提出了發展厚板摺紙的想法以增強摺紙板的剛度。迄今為止，已經提出了許多技術來適應非零厚度板的摺疊運動，即錐形板、偏移板、鉸鏈移位等等。然而，大多數厚板摺紙結構是通過繁瑣的手工組裝工藝製造的，例如使用膠帶或滾動鉸鏈將厚板連接起來，這不利於實際的工程應用。
三維列印是一種新興的高級製造技術，可以自由地製造複雜的三維物體。熔融沉積建模（FDM）三維列印通過熔融熱塑性絲材並通過列印噴嘴將其擠出，根據預定的工具路徑為每層生成圖案來形成三維結構。與其他三維列印技術相比，FDM 3D列印是最常用的一種，因為它簡單、廉價，且與各種工程塑料兼容。已經嘗試通過FDM 3D列印製造摺紙結構，但是由於主流的單材料列印能力，用戶面臨著兩難選擇：使用剛性材料列印的摺紙結構可以承受負荷，但無法摺疊；相反，軟材料為列印的摺紙結構賦予了可摺疊性，但犧牲了承載能力。將軟硬材料3D列印成一個結構，以製造厚板摺紙結構，這是人們所期望的。Wagner等人報導了FDM 3D列印方法，列印了芳綸纖維和聚醯胺鉸鏈，可以摺疊~106次，但其直接應用於摺紙還有待證明。Faber等人製造了一種仿生彈簧摺紙，通過將硬聚合物面片（丙烯腈丁二烯苯乙烯-ABS）列印到橡膠狀基底（熱塑性聚氨酯-TPU）上實現了剛性摺紙摺疊和可變剛度。然而，ABS和TPU之間的弱粘合可能導致它們之間的剝離，並在摺疊展開過程中導致結構破壞。此外，這些可摺疊的摺紙結構通常無法承受載荷，因為小的擾動可能會沿著同樣的摺疊展開路徑使結構崩潰。
在此，研究者報告了一種基於FDM多材料3D列印技術的製造和設計方法，用於創建具有厚板的摺紙結構。這種摺紙結構不僅可以摺疊，而且能夠支撐大量的載荷並承受循環載荷下的壓縮應變。通過在FDM多材料3D印表機上採用一種特殊的製造策略，我們成功地將剛性面板與高度可拉伸的軟部件相結合，從而創造出一種可以超過100次摺疊而不脫粘的厚板摺紙結構。研究者還設計出自鎖式Miura-origami結構，它可以通過非常規的推拉（P2P）變形模式，將垂直壓縮力轉化為水平軟鉸鏈的伸展，從而支撐重載。這種自鎖式Miura-origami結構能夠支撐超過11000倍自重的負荷，並能承受超過100個周期的40％壓縮應變。此外，研究者們還建立了一個理論模型，以指導自鎖式Miura-origami結構的設計，從而展示出P2P變形模式而不是彎曲變形模式。特殊的多材料3D列印策略與P2P變形模式相結合，賦予了自鎖式Miura-origami結構可編程的機械特性，支持重載和吸收衝擊能力優異。這項研究的製造和設計方法為實現摺紙在實際工程應用中提供了新的思路。其中，通過將硬質面板與高度可拉伸的軟部件相結合，成功地克服了傳統摺紙結構製造方法的局限性，使得這種摺紙結構能夠在實際應用中得到廣泛應用。（文：水生）
圖1 薄紙板摺疊的組裝和設計。
圖2 設計和機械自鎖的性能。
圖3 3D 列印自鎖厚板摺紙單元的變形機理。
圖4 可編程的機械MSO結構的響應。
圖5 3D 列印自鎖厚板摺紙基機械超材料的衝擊吸收性能。
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