结构化材料（architected materials）又名机械超材料（mechanical metamaterials），顾名思义是指超越材料本身物理性质的一类自然界不存在的人造材料。它利用新颖的材料几何形状和结构设计以及其周期性结构的有序排列来实现一些超常的物理性质，比如负泊松比（横向拉伸导致纵向膨胀）、负热膨胀（热缩冷胀）、负压缩（静水压下不缩反胀）等。近年来将中国古老折纸（origami）和剪纸（kirigami）工艺应用于超材料的设计吸引了研究者们的浓厚兴趣。相比于广泛研究的三维折纸超材料，目前大多数剪纸超材料受限于二维平面剪纸设计，怎样将剪纸工艺从二维扩展到三维结构化材料成为一个亟待解决的难题。解决这个难题的关键在于怎样设计一个通用的三维剪纸单元或模块。

最近北卡罗莱纳州立大学尹杰研究小组（博士生李艳滨、博士张秋婷、博士生洪尧烨）将二维剪纸设计理念拓展到三维空间结构，并以此为基础设计出了具有超级变形模式以及材料性能编程能力的超材料。

不同于传统薄板剪纸中的切痕图案，该小组从厚板出发（图1a），通过借鉴二维剪纸理念引入不同层级的切面，设计出了一种可以实现多种空间变形模态的三维剪纸单元（图1b-1c）。和二维剪纸中面内刚体转动相比，三维剪纸单元可以轻易实现面外的转动以及单个子单元面内的旋转，从而实现8种不同的变形模态（图1d-1f）。

图1：（a-c） 三维剪纸单元设计，（d-f） 对应的8种不同变形形态

将处于不同变形形态下的结构作为基本单元，该小组提出了通过嵌套组合不同但变形协调的单元来构建新的结构化材料的设计方案。比如沿高度方向堆叠可以形成一维柱状材料（图2a），沿面内铺装可以生成二维网格材料（图2b），以及沿三个方向拼接的三维层状结构（图2c）。对于二维网格结构，该小组发现取决于剪纸单元放置方向，二维结构可以实现从有手性特征到无手性的变形模式的转变以及结构强度的编程调节（图2b）。通过设计方形柱来无缝嵌套上下两层网格材料从而实现三维结构化材料的组装（图2c-2d）。他们发现由于方形柱独特的变形模式，三维结构化材料既可以实现各层之间相互独立的变形，即各层面内压缩不影响其它层的变形，也可以实现整体的协调变形（图2e）。可以预想的是，随着层数的增加，由于各层相互独立变形的特性，该结构的变形模态将呈几何指数形式增长，从而实现变形与材料性质的可编程与可控化。

图2 （a-b）1D 和2D超材料以及可编程变形特性，（c-d）3D超材料以及其可编程变形特性

此研究实现了从传统平面剪纸到三维空间剪纸方法的一个飞跃，证明了三维空间剪纸具有更大的设计以及形状变化空间，提出了利用可变形状三维剪纸单元的空间排列与镶嵌来构建结构性材料的新思路。研究者期待此研究能在机械吸能、声学带隙调节、可调节刚度机器人、以及建筑材料以及设计等的进一步的应用。

文章信息：

Li, Y., Zhang, Q., Hong, Y., Yin, J., 3D Transformable Modular Kirigami Based Programmable Metamaterials. Adv. Funct. Mater. 2021, 2105641.

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https://doi.org/10.1002/adfm.202105641