研究人员利用古老的折纸技术制造新一代支架、喷气机翼和运动鞋

折纸以其错综复杂的美丽吸引了几代人。

现在，研究人员认为这种古老的艺术技法可能是下一代革命性材料的关键。

佐治亚理工学院的研究人员正在探索折纸材料在刚性稳定性和可控柔性之间无缝过渡的潜力，即在特定力下“折叠”。

这种创新的方法可以推动多个领域的发展，从救命的心脏支架到适应性强的飞机机翼和高性能跑鞋。

“折纸在过去的十年里受到了很多关注，因为它能够部署或改变结构，”詹姆斯·麦金纳尼（James McInerney）说，他是该研究的主要作者，现在是美国空军研究实验室的NRC研究助理。

他解释说，这个团队是由一个基本问题驱动的：不同类型的褶皱如何在不同的压力下精确控制材料的变形？

其影响是重大的。在建筑、航空航天和航运等行业，强度和重量之间往往存在权衡。

麦金纳尼补充说：“我们的目标是在不增加重量的情况下，通过添加折纸式折痕来增强承重设计。”

梯形折纸

然而，挑战在于充分了解物理原理，以准确预测哪种折痕，以何种方式应用，将产生期望的结果。

想象一张纸。你可以拿着它，它很结实。但你也可以把它揉皱、折叠、挥动。这种坚固性和灵活性的结合很有用，但理解起来也很复杂。

与具有可预测行为的传统固体不同，这些柔性材料可以以无数种方式变形，使传统的物理模型不充分。这就是折纸方法提供新视角的地方。

传统上，折纸灵感材料的建模主要集中在基于平行四边形的折叠上，使用正方形和矩形等形状。这限制了可实现的变形类型。

麦金纳尼说：“我们的目标是将这项研究扩展到包括梯形面。”

只有一组平行边的梯形引入了更大的可变性和更复杂变形的潜力。

需要更多的研究

模型和实验表明，在折纸设计中使用梯形可以使材料以新的方式对力做出反应。

麦金纳尼补充说：“我们了解到，我们可以在折纸中使用梯形面来限制系统在某些方向上的弯曲，这提供了与平行四边形面不同的功能。”

该团队表示，目前的工作是理论上的，但这些基本的见解为设计和利用这些适应性结构开辟了令人兴奋的可能性。

他们现在正在探索更复杂的四边形，并开发有效的模型来预测它们的行为。下一步是了解这些设计是如何制造和严格测试的，以确保它们在实际应用中如预期的那样运行。

“这需要了解我们的模型在哪里开始崩溃，无论是由于加载条件还是制造过程，以及建立有效的制造和测试协议，”作者说。

研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

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