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本文聚焦折纸启发的机械超材料（OMMs），详细阐述其设计方法、机械特性、建模方式、制造与驱动技术、应用场景及面临的挑战。OMMs 结合折纸艺术与工程原理，展现出独特性能，在多领域有应用潜力，对相关研究有重要参考价值。
折纸启发的机械超材料的最新进展：从方法、制造到挑战
“折纸”，作为一门古老的艺术，蕴含着将二维纸张转化为三维形态的奇妙智慧。它凭借独特的折叠技巧，如山脉折、山谷折、反向展开折和挤压折等，创造出各式各样的形状，这种艺术形式如今已超越纸张范畴，延伸到织物、金属和复合材料等领域。近年来，折纸更是成为工程结构设计的灵感源泉，在软机器人、航天器结构、建筑、应急避难所以及超材料等多个领域都有广泛应用。
超材料工程致力于突破传统材料的限制，打造具有可编程特性和更高设计灵活性的材料。超材料种类繁多，包括机械、电磁、声学超材料以及混合设计超材料等。其中，电磁和声学超材料具备带隙特性，而机械超材料中的折纸超材料（OMMs）应用广泛，如用作计算设备、能量收集装置、声学器件等。
折纸结构和折纸超材料存在显著差异。折纸结构主要基于折叠，而折纸超材料在此基础上融入切割工艺，具备更强大的机械功能和适应性。从本质上讲，折纸结构通常不被视为超材料，因其未展现出超越构成材料的新特性，而折纸超材料则凭借特殊设计，呈现出负泊松比、可变刚度等独特性质。例如，双变形三浦折纸结构仅具备制造材料本身的性质，而三浦折叠超材料却拥有单自由度、自锁状态和可调刚度等特性，多层三浦折纸超材料在面内和面外变形时还呈现出相反的泊松比。
OMMs 具有诸多优势。它结构灵活，能通过特定的折叠模式实现可编程性，在能量吸收和耗散方面表现出色，优于传统材料，这使其在抗冲击应用中效果显著。同时，OMMs 具有各向异性，其机械性能会随受力方向变化，在不同方向能展现出特定的机械行为，具有高度通用性。此外，OMMs 的紧凑性和可展开性尤为突出，这一特性使其在机器人领域以及卫星天线、太阳能阵列等可展开结构中至关重要。而且，OMMs 的原理具有尺度无关性，能从纳米尺度应用到宏观尺度，应用范围极为广泛。
折纸原理在 OMMs 中发挥着基础性作用。通过特定的折叠模式，如三浦折或罗恩?雷施折，能直接影响构成材料的机械行为，实现对材料属性的几何控制。这种非局部相互作用引发的全局运动学耦合，造就了 OMMs 的负泊松比等特殊性质。折纸原理还助力创造出双稳态和多稳态结构，使材料能在不同稳定状态间切换，实现可编程和自适应行为。刚性折纸的概念也为 OMMs 做出重要贡献，在折叠和展开过程中，折痕间的面保持刚性，确保材料在大幅形状变化时结构完整性不受损，增强了 OMMs 的柔韧性和弹性。此外，折纸原理使 OMMs 具备分层结构和异质结构，进一步提升了机械性能，为更复杂、多功能的设计提供了可能。
从发展历程来看，2012 年是折纸超材料研究的重要起点。这一年，由 DNA 和纳米颗粒构成的 “等离子体纳米结构” DNA 折纸展现出独特的光学特性，同时，三浦折叠折纸超材料的几何数学分析也得以发表。此后，相关研究不断涌现，从纳米折纸到可重构超材料，从声学超材料到形状记忆超材料等，研究领域持续拓展，功能不断丰富。
在设计方法方面，折纸超材料可分为刚性和可变形两类，设计策略主要有直接设计和间接设计。直接设计利用已有的折纸折叠方式用于特定应用，但受限于预存的折叠模式；间接设计则通过修改折痕图案来逼近理想形状，设计灵活性更高。
在机械特性方面，超材料常依据几何排列分为晶格、手性和折纸超材料。晶格超材料由相互连接的单元阵列构成，每个单元具有特定机械属性，如负泊松比的晶格超材料在受力时会膨胀而非收缩。折纸超材料凭借独特的折叠结构，展现出如负泊松比、高刚度重量比、变形和多稳态等特性。
建模对于折纸超材料研究至关重要。商业软件如 Abaqus、COMSOL、MATLAB 和 ANSYS 在数值模拟中应用广泛，它们能全面模拟折纸超材料的形状重构、变形、刺激响应和能量效率等。
制造和驱动环节同样不可忽视。构成材料的弹性、耐久性和可制造性对 OMMs 十分关键。高弹性材料能确保 OMMs 在反复折叠和展开过程中不发生永久变形，这在软机器人和可展开结构等应用场景中至关重要。驱动方式多种多样，包括气动、磁性、形状记忆聚合物等，一些如湿度驱动或光驱动的方式虽尚未在折纸超材料中广泛应用，但具有潜在的应用前景。
基于折纸结构的机械超材料在众多领域展现出广阔的应用前景。在航空航天领域，可用于制造轻质高强的结构和功能部件，提升飞行器性能；在汽车领域，能优化汽车结构，提高安全性和能源效率；在建筑领域，有助于设计出可变形、自适应的建筑结构。
然而，折纸超材料的发展也面临诸多挑战。其制造过程复杂，稳定性有待提高，部分设计在实际应用中还存在技术难题。尽管如此，凭借其独特的性能和广泛的应用潜力，折纸超材料在未来仍有望在生命科学、健康医学等更多领域实现创新应用，如用于生物医学设备的设计、组织工程支架的构建等，为解决相关领域的难题提供新的思路和方法。
