Kirigami（剪纸艺术）是一门古老的艺术，通过巧妙地切割和操纵一张纸，可以创造出迷人的装饰品。目前，这种艺术形式已经逐渐发展成为一种设计和制造框架，能够创造不同规模的多功能材料和结构。通过巧妙地设计几何狭缝，简单的二维薄板可以在外界刺激下转化为复杂的三维结构，具有独特的可编程力学性能。许多基于Kirigami的可穿戴电子器件忽视了动态力学性能设计的重要性，针对动态冲击载荷下的力学响应研究较少。随着人们安全意识的不断提高，对可穿戴防护设备的需求也随之增加。在一些研究中，Kirigami结构被证明是抗冲击设计的理想选择。然而，目前应用于抗冲击领域的Kirigami结构往往为刚性结构，这与可穿戴设备设计中对柔性和适应性的要求是背道而驰的。

  为了解决这一矛盾，中国科学技术大学龚兴龙团队受自然界中穿山甲防护策略的启发，将Kevlar、导电剪切变硬弹性体（c-SSE）和PET结合在一起，基于Kirigami结构，开发了一种柔性智能复合材料（Kiri-Kevlar）。Kiri-Kevlar具有优异的力学性能，并且可以在2D和3D模式之间无缝转换。3D结构化Kiri-Kevlar的结构刚度与c-SSE应变率敏感特性协同作用，实现了高冲击能量耗散功能。当人体受到冲击，身体的潜意识动作（如蜷曲或弯曲四肢），会迅速触发Kiri-Kevlar的三维结构激活，从而抵御冲击。此外，可穿戴的Kiri-Kevlar可以基于其力-电耦合机制实现人机交互，为新一代智能防护设备提供了思路。相关研究成果以 “Subconsciousness-triggered” human body defensive strategy: Bi-stability intelligent joint with bionic kirigami structure 为题，发表在国际Top期刊Composites Part B: Engineering上。论文的第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生周建宇，通讯作者为龚兴龙教授、王胜副教授。 

图1 摘要图

图2 Kiri-Kevlar制备工艺与结构变形示意图

图3 轴向载荷下Kiri-Kevlar的结构演化研究

图4 Kiri-Kevlar在压缩加载下的力学行为

图5 Kiri-Kevlar的动态力学响应研究

图6 Kiri-Kevlar的力-电耦合研究与人机交互功能开发

  原文链接：

  Jianyu Zhou, Mei Liu, Sheng Wang, Junshuo Zhang, Mingyang Ni, Shuai Liu, Yu Wang, Huaxia Deng, Bing Liu, Xinglong Gong. “Subconsciousness-triggered” human body defensive strategy: Bi-stability intelligent joint with bionic kirigami structure. Composites Part B: Engineering 2024, 277, 111368. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111368

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111368