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师生携手,共建未来——超材料课题组第一届折纸超材料大赛
发布时间:2022-06-27

为推动课题组凝聚力高质量发展,助力构建德、智、体、美、劳全面培养的教育体系,材料学院超材料课题组积极响应学院推进的“师生携手,共建未来”课题组集体建设工作,于2022年6月21日下午2点在逸夫楼A520举行课题组第一届“折纸”超材料大赛,13位课题组同学通过PPT讲解作品理念及现场展示折纸超材料,组内所有老师、同学从原创性,功能性和复杂性三个角度对其作品进行打分、点评,比赛现场气氛热烈,不断碰撞出美学与科学的火花!

折纸技术是利用二维纸板进行折叠的古老传统东方民间艺术,通过折叠和展开二维的平面纸张可以得到丰富的二维或三维复杂几何构型,其制作过程充分融合了物理的真与数学的美。近些年,折纸技术被逐步引入到人工结构/材料的设计中,由此得到的折纸超材料已经完全超越纯粹的美学诉求。在设计者头脑风暴的空间思维下蕴含着深邃的科学思想,万千变化的曲面折叠模式赋予折纸超材料巨大的科学与工程应用价值。如太空中的太阳能电池板、血管支架和可展开的锂离子电池等。

周济老师指出,本次大赛旨在培养同学们的审美素养和科学鉴赏力,理解物理结构之美,培养对数学美感的感知能力,结合设计者赋予“折纸”超材料的各种独特性能,探索其更多的科学与工程应用价值,鼓励同学们多多观察和思考,提高对科学的审美。

部分参赛同学展示作品如下(作品借鉴已有文献或专利,仅限此次学术交流与活动娱乐,未用于商业用途,无意抄袭或剽窃):


一种基于折纸“魔术球”的柔性机器人抓取器


受折纸工艺的启发,设计了一种基于折纸“魔术球”可超级变形原理的的柔性机器人抓取器,通过施加压力或附加气动装置可促使“魔术球”变形、开口收缩,实现定向抓取行为,该抓取器具体体积变化率高、成本低、收缩后空间小的特点,在机器人等领域有广泛的应用前景。


基于克雷斯林图案的变色折纸及其应用前景


  Biruta Kresling从大自然中展开树叶、龟壳竹、鼻甲软体动物壳、天蛾气囊和其他生物结构中获取灵感,设计了以平行四边形为基础的克雷斯林模式,即自发的扭转载荷下的屈曲。来自NASA的工程师Robert Lang在克雷斯林图案的基础上进行改良,设计出了变色折纸。该变色折纸以管的形式呈现,首先在纸上打印对应的双色图案,然后制作折痕并粘结成管。当在变色管的两端施加不同方向的扭矩时,分别会展现出两种不同的颜色。

如果将变色管的两种颜色视为功能截然不同的两种超材料,则可以通过简单的施加一个扭矩来实现不同功能之间的主动调控,为超材料的调控引入新的自由度。

缺陷引导结构屈曲方向的折纸超材料


  通过在折纸中的合理位置引入折痕缺陷,可以控制结构屈曲方向,使得折纸超材料具有高承载能力的同时能够在立方体和球体两个稳态之间转换。根据这一原理,可以设计外星探测器的外壳以及运动机器人,为轻质、可重构、可展开的机械结构设计与研究开拓新的道路。


可变形折纸彩虹桥超材料


  彩虹桥由三种折纸长方体,采用内外嵌套方式构成,无需胶水等额外工具连接,只靠折纸本身构建在一起。创作灵感来源于可变形机械手臂、跷跷板、惠斯通电桥等。彩虹桥存在两种受剪切力变形模式:横向受力变形、纵向受力变形。彩虹桥结构简明,具有丰富的功能,例如:1.受力换向电桥:通过选择切应力的方向,控制端口1-4导通,或端口2-3导通,从而实现换向电桥的功能。2. 可变形机械手臂、仿生鱼:仅在彩虹桥的一端施加左右扭摆的力,就可以控制整个结构伸缩变形。可应用于机器人的机械手臂,控制伸缩,变形换向。也可应用于仿生鱼的尾部运动、仿生虫子爬行的弯蜒运动。3. 嵌入弹簧的储能机制:传统弹簧只能实现一个方向的压缩储能。彩虹桥的优势是:可将切应力转化为压力,实现多受力方向的储能。当横向或纵向两个方向受力时,彩虹桥内的弹簧皆会被压缩进而实现储能。彩虹桥结构体现大道至简的结构美学,用简明的变形结构,实现丰富新颖的功能,有望应用于各个领域。


折纸锂离子电池

  该作品仿制姜汉卿等人“Origami lithium-ion batteries”(折纸锂离子电池),它达到了前所未有的高水平变形,包括折叠、弯曲和扭曲。可变形性是使用刚性折纸实现的,它规定了折痕图案,使得制作折纸图案的材料不会受到大的应变。折纸电池是通过将电极浆料涂布到纸集电器上并用标准材料包装,然后使用三浦折纸法来制造的。这种方法体现了折纸艺术、材料科学和功能性储能设备的奇妙融合。


由折纸魔术启发的可变形结构及其应用前景

  由折纸魔术球、折纸陷阱、折纸烟花获得灵感,对应机器人手臂、抓手及封装层,以制造一个“刚柔并济”、可快速抓取、可控制封装时间的多结构组装胶囊手术/送药机器人,期望在口服给药、内黏膜剥离采样、小型结节切除等医学领域发挥作用。


基于剪纸的可编程多稳态超结构

  三稳态结构单元,具有本征三稳态结构。通过改变铰链处弹性状态,可以实现可编程的力学性能和机械响应行为。该单元结构可应用于形状控制、自伸展结构、逻辑运算等领域。该作品参考文献DOI10.1073/pnas.2117649119


一种基于折纸超材料的手语翻译器以及简易制作方式

将折纸超材料的形变与电磁超材料谐振模态的重构结合。当外力驱使折纸超材料结构发生变化,电磁超材料的响应即可发生变化,可利用电磁信号的改变检测折纸结构的形变。

此次比赛共评选出2个一等奖,4个二等奖,7个三等奖,恭喜获奖的同学们!

自“师生携手,共建未来”课题组共建活动提出以来,各课题组积极响应,形式多样,创意无限,周济院士课题组此次比赛,不仅增进组内凝聚力,同时为同学们开创新的学习思路,将材料的结构、性能等不断延伸,从自然中发现美,再将“超材料“的美融入自然,最终实现科学之美!