基于平面切割组装的非欧几里得折纸结构可重构力学性能研究

为解决非欧几里得折纸结构难以平面化制造及功能单一的问题，研究人员提出平面切割组装法（PCOS），通过山-谷折痕转换实现结构可重构性。实验表明，自锁构型（Locked）的Z向峰值应力达139 kPa，较非自锁构型（Non-locked）提升267倍，且力学性能可通过自锁单元数量与分布梯度调控（100–102 kPa）。该研究为低成本、可定制化折纸超材料在工程应用提供了新思路。

　　

论文解读

折纸艺术与工程力学的交叉领域近年来备受关注，尤其是具有可重构特性的折纸结构，能够通过几何变形实现多功能性。然而，这类结构往往包含非欧几里得（non-Euclidean）顶点，导致其无法展平为平面，传统制造依赖高成本的3D打印技术。此外，现有折纸超材料的几何变形能力和力学性能调控范围有限，制约了其在工程实践中的应用。如何通过低成本工艺实现高性能可重构折纸结构，成为亟待突破的科学问题。

针对上述挑战，中国研究人员提出了一种创新的平面切割与折叠组装方法（Planar Cut Origami Structure, PCOS）。该方法将三维折纸结构分解为两组波纹状平面单元，通过切割设计实现平面化制造，再经折叠粘接重构为含非欧几里得顶点的三维结构。PCOS单元在折叠过程中可实现山折（mountain fold）与谷折（valley fold）的动态转换，赋予结构高度可重构性。研究通过Z向压缩实验证明，全自锁构型（PCOS(Locked)）的峰值应力达139 kPa，较非自锁构型（PCOS(Non-locked)）提升267倍，且力学性能可通过自锁单元数量及空间分布实现10⁰–10² kPa的梯度调控。这一成果发表于《Extreme Mechanics Letters》，为低成本制造高性能可重构折纸超材料提供了新范式。

关键技术方法
研究采用几何分析指导平面切割设计，将三维结构分解为可加工的波纹状平面单元；使用卡纸材料通过标准化切割、折叠与粘接工艺批量制备PCOS；通过压缩试验机测试不同构型的Z向力学性能；结合自锁单元分布模式（如梯度、对称等）分析力学性能调控机制。

研究结果
Geometry analysis
通过几何解析揭示了PCOS的可重构机制：非欧几里得单元的山-谷折痕转换驱动整体结构变形，自锁状态由相邻单元间的几何干涉实现。

Model fabrication and classification
基于卡纸材料测试确定了弹性模量等参数，建立了PCOS(Locked)与PCOS(Non-locked)的构型分类标准，自锁状态通过单元间接触力维持稳定性。

Compressive performance analysis
压缩实验表明，PCOS(Locked)的Z向刚度显著高于非锁构型，峰值应力与自锁单元数量呈正相关。梯度分布构型可实现10¹–3×10¹ kPa的应力调控，对称分布则表现出更均匀的承载特性。

Conclusions
PCOS通过平面化制造突破了非欧几里得折纸结构的加工限制，其可重构特性实现了力学性能的主动调控。自锁机制使结构在轻量化前提下具备高承载能力，梯度设计为多功能超材料开发提供了新思路。该研究不仅降低了制造成本，更拓展了折纸结构在柔性机器人、可展开航天器等领域的应用潜力。

讨论
研究首次系统论证了非欧几里得折纸结构的平面化制造与性能调控方法，其创新性体现在：1）通过几何设计分离制造维度与功能维度；2）利用自锁单元分布实现力学性能编程。未来研究可探索更多元化的单元拓扑与动态响应特性，进一步丰富可重构折纸超材料的设计体系。