综述：从折纸到双稳态与层压结构：基于形状变化结构的多功能应用结构视角综述

《Advanced Intelligent Systems》：From Origami to Bistable and Laminate Structures: A Review for Multifunctional Applications from Structural Perspective of Shape-Changing Structures

本综述系统回顾了形状变化结构（如折纸、双稳态及层压结构）在软体机器人、软体操纵器和超材料等领域的多功能应用。文章从结构设计角度出发，深入探讨了这些结构的几何描述、仿真方法（如有限元分析/FEA）及其在实现可重构性（reconfiguration）中的关键作用，并指出结合智能材料（如形状记忆合金/SMA、形状记忆聚合物/SMP）与创新结构设计可显著提升系统的适应性和多功能性。

　　

引言

传统系统基于传统设计策略，通常在单一任务性能上表现出色，但在操作条件变化时缺乏适应性。重构提供了一种有前景的替代方案，使系统能够生成不同的配置以满足新的需求。自然界中的生物有机体经常改变其形态以克服环境挑战，这激发了工程应用中寻求类似适应性的研究。然而，工程中重构的真正潜力往往受到传统设计策略和刚性材料的限制。在这种情况下，形状变化结构可以为释放重构的真正潜力提供新的见解。

形状变化能力可以从两个不同方面概念化：运动生成和功能适应性。第一个方面关注形状变化如何产生运动，而第二个方面则表示适应新环境或获得新功能。“可重构”和“形状变化”具有相似的含义。在此背景下，“形状变化”广泛指结构和材料的转变，而“可重构”描述能够采用多种配置的系统或应用，每种配置都 tailored 来处理特定任务或功能。

形状变化结构

形状变化结构的特点是其能够通过结构设计和材料特性的结合，在响应施加的力或其他刺激时显著改变其外部形态。这些结构通过整合基本变形机制（如拉伸、弯曲、扭转、屈曲、折叠和卡扣）实现多样的功能转换。

可展开/可折叠结构：折纸

展开和折叠是两种相反的运动学机制，允许结构改变配置，伴随着体积和尺寸的巨大变化，有助于包装和运输。可展开结构和可折叠结构的术语在文献中经常互换，但容易混淆。此处，可展开和可折叠结构之间的区别取决于结构在操作期间的状态。当部署状态主要用于应用时，则称为可展开结构，反之亦然。在这种功能区分下，“可展开结构”已成为研究中更普遍的术语。

折纸是一种古老的艺术形式，将二维薄片转化为复杂的三维形状，展示了令人印象深刻的形状变化范围。折纸的研究主要集中于计算技术，以准确模拟折叠行为，包括运动学和力学行为。在几何方面，折纸通常是扁平薄板（或面）和互连的折叠线（铰链或折痕）的组合，其中顶点是折痕相遇的点。根据折叠方向，折叠线可分为山折和谷折。山折和谷折以及顶点的排列形成了折纸折痕图案，这固有地影响了折纸的变形行为。

计算技术已被开发用于分析折纸的运动学、力学和多物理场特性，具体包括：1) 发现刚性折叠路径；2) 模拟刚性折叠状态中的小扰动；3) 模拟整个系统对外力和/或位移的响应。当专门考虑铰链处的变形而没有任何面板的面内变形时，折纸的特点是刚性折叠，其中使用刚体假设来开发运动学模型。

双稳态/多稳态结构

双稳态结构可以在自然界和日常生活中广泛找到，包括维纳斯捕蝇草和蜂鸟使用双稳态机制快速闭合以捕捉昆虫，以及双稳态设计在理发器、卷尺和瓶盖中的应用。在各种结构设计中，双稳态结构以其两个稳定平衡状态而区分。每个状态代表一个独特的几何配置和特性，并且两个状态之间的转换通过弹性不稳定性实现。这种弹性不稳定性总是涉及屈曲、起皱和卡扣，需要探索双稳态结构内部的能量交换。

双稳态的一个关键特征是在两个平衡状态之间的转换涉及在短时间尺度上的大而快速的变形。一方面，这种大变形可以增强其他变形机制，例如应变失配，这在层压和复合结构中特别有益。此外，通过组合多个双稳态单元，系统可以实现丰富的多稳态和重构能力，其中相对较小的局部双稳态可以放大为显著的全局变形。另一方面，状态之间的快速转换也允许双稳态结构比其他由智能材料制成的软执行器运行得更快，使其成为时间敏感应用的理想选择。

层压结构

层压结构是实现受控面外变形的基本配置。这些结构通常包含一个细长体（厚度显著小于其他尺寸），该细长体包含两层或更多层不同材料。通过适当的设计，这些多层系统在其厚度上产生应变梯度，产生内部弯矩，驱动可预测的变形。

在各向异性多层中，层压结构的不同层由具有不同特性的材料组成。许多研究已经证明了这些各向异性多层聚合物如何驱动形状变化。Timoshenko 理论被开发用于分析双层结构的弯曲行为，该理论建立了弯曲曲率与几个参数之间的关系。基于该理论，研究人员通过实验研究了这些因素的影响。受到两层之间相同应变的约束，不同溶胀比导致的应变失配驱动弯曲朝向溶胀比较低的层。

可重构应用

自然界展示了卓越的适应性，生物体能够响应周围环境而改变形状。模仿自然以获得适应和形状变化的能力是一个挑战，但这反过来鼓励了开发形状变化结构以实现重构。这些结构使系统能够修改其物理配置，在不同的环境中提供 tailored 的功能，这对于扩展机器人应用范围以及探索具有可调特性的材料至关重要。

可重构软体移动机器人

移动机器人旨在通过提供进入极端环境和无法到达区域的能力来扩展探索能力。与刚性机器人不同，软体由于其固有的弹性和能量收集，允许软体机器人与环境安全交互而不会造成损坏。软体机器人的基本移动策略已被报道，包括爬行、飞行、游泳、有腿运动、跳跃和其他替代模式。然而，软体机器人的机动性受到非结构化环境的挑战。因此，能够适应不同工作场景的可重构软体机器人受到了极大关注。形状变化结构为设计者提供了采用单一移动模式或将多种模式集成到系统中的见解，从而能够开发多模式、多功能的软体机器人。

可重构软体操纵器

除了主要专注于移动和导航的机器人之外，软体操纵器是为强调操纵和与环境及物体交互的任务而设计的设备。例如，软体夹持器由于其柔性材料和适应性结构，可以安全地交互和抓取不规则或易碎物品。软体夹持器重构的一个方面可归因于形状适应，包括将自己塑造成不同形状以实现更好的包围。

软体夹持器重构的另一个方面是它们能够调整夹持器的体积或形状，以在具有挑战性的环境中到达物体并完成抓取任务，这在生物医学领域显示出巨大潜力。例如，利用可展开/可折叠结构中的体积变化，一种自折叠软体机器人链已被开发用于微创手术。在被推出导管鞘后，预拉伸的软弹性段由于存储的弹性能的释放而自然发生弯曲，这有助于相邻刚性段的对齐和连接。

可重构超材料

机械超材料具有独特而复杂的架构，产生其基础材料中不存在的特性。虽然各种类型的超材料已被广泛探索，例如具有负泊松比（NPR）的拉胀结构和具有低相对密度的轻量化系统，但这些传统的超材料一旦制造完成就具有固定特性。在这种情况下，基于形状变化结构的可重构超材料（也称为可重编程/可编程或主动超材料）已被研究以按需调整特性。

虽然软体机器人和机械超材料经常被讨论为不同的领域，但它们通过可编程超材料的刺激响应行为共享深刻的概念和功能重叠。通过最小的输入，可编程超材料可以表现出复杂的变形序列，包括弯曲、伸展和扭转。这种变形一方面实现了软体机器人的驱动和运动控制。另一方面，它可以扩展软体机器人的功能，如最近的研究所示。

讨论

可重构系统利用可展开/可折叠、双稳态和层压结构，通过响应外部刺激或受控输入动态改变其配置、形状和机械性能，在不同应用中展示了卓越的适应性。

折纸启发结构在紧凑存储和大幅可逆变形能力方面表现出色，使其特别适用于空间敏感的应用，例如可展开的航空航天结构和生物医学设备，用于微创输送。它们在扁平二维片材中的制造进一步简化并加速了制造。此外，作为几何变换的艺术，折纸为设计者提供了控制变形的巨大自由度。这种控制嵌入在折痕图案设计中，通过折叠成不同的配置来实现按需调整以达到特定的目标特性。

重大挑战

尽管可重构系统在各种任务中具有令人印象深刻的适应性，但在满足实际应用要求之前，必须解决几个相互关联的挑战。增强适应性需要具有丰富形状变化能力的系统。虽然模块化和镶嵌可以扩展单元折纸结构的有限变形范围，但它们会引入额外的自由度，增加系统的不确定性和控制复杂性。在软体机器人中，变形范围直接影响运动效率——更大的范围允许每个周期更大的运动幅度，从而在速度关键的应用中提高操作有效性。