弹簧、刮刀和苏打吸管具有共同的特性——它们在一个方向上是刚性的，在另一个方向上是灵活的。像这样的结构具有不同尺寸的特性，在从长弓到助推火箭的人类技术中发挥了关键作用。

现在，研究人员从折纸艺术中汲取灵感，创造出可编程表面，使工程师能够在一系列方向上改变统一物质的物理特性。在10月26日出版的AdvancedMaterials杂志上发表的一篇文章中，研究人员描述了也是可编程的结构，因此尺寸和相应的属性可以根据需要进行调整。研究人员希望设计师能够将这些技术应用于医疗设备、建筑、机器人和航空航天。

“我们有几乎无限数量的调整，提供了丰富的设计空间，”玛格丽塔·恩格曼·奥古斯丁工程学教授和主要研究人员之一格劳西奥·保利诺说。Paulino是土木与环境工程教授、普林斯顿材料科学与技术研究所的教授，他与印度马德拉斯理工学院、北京大学、东京大学和特伦托大学的同事一起开展了该项目。

为了创建这些结构，研究人员从四个被称为菱形的风筝形图形的细胞开始;每个菱形沿两侧连接另外两个菱形，每个菱形的尾端是自由的。连接侧以一些特殊的方式铰接，因此每个单元都可以通过各种形式点击，从宽篮子到薄折叠。(有关更多信息，请参见相应的视频。)研究人员将这些细胞中的许多结合起来，创造出范围广泛的表面。

通过调整单元，研究人员可以改变整个表面的特性：在选项中，它们可以改变可压缩性、柔韧性和密度。由于单个细胞是可调节的，研究人员可以改变表面内的特性，并且可以轻松地改变和调整特性。

“通常，单一的折纸图案具有一种特定的机械性能，”东京大学的一名研究人员和教授TomohiroTachi说。“这种结构可以在具有不同特性的多种状态之间切换。它是一种通用模块，用于对具有多种特性的材料进行编程和重新编程。”

每个单元格都展示了三种稳定状态，这意味着一旦单击它，它们就会保持该位置。此功能对于寻求在应用程序中使用折纸图案的工程师很有用，因为它可以更好地控制结构。它还允许设计人员使用这些技术，而无需在结构方向发生变化时为其添加支撑。

例如，设计人员可以调整一系列单元以使表面在一个区域更加灵活，并确信单元将保持该位置而无需额外的支撑。

“我们通过实验观察到的是一个真正的三稳态结构，因为稳定状态可以通过它在不同配置之间捕捉时发出的‘咔哒’声来确定，”特伦托大学教授、成员DiegoMisseroni说的研究团队。

该技术利用了物理学家称之为挫折的现象。在几何学中，挫折是一种阻止图案在广阔空间中传播的特征——就像雪地中的锯齿状岩石。借助可调节单元，研究人员可以将挫败感引入结构中。他们用它来改变表面的属性。他们可以在大范围和小范围内这样做。

“挫败感是一种设计缺陷，一种设计缺陷，”保利诺说。“如果一个缺陷是任意的，它通常是不好的。但如果我们可以设计它，我们可以以一种有趣的方式使用它。”

研究人员可以使用工程挫折来精确改变表面的图案。通过改变图案，他们可以调整表面的属性。图片来源：MuzaProductions/普林斯顿大学

联合研究员KeLiu表示，他很高兴能够将缺陷转化为工程优势。

“设计缺陷不再是缺陷缺陷，”北京大学教授刘说。“在这项工作中，我们使用折纸的魔力来创造一种材料，其缺陷可以通过几何挫折进行编程。”

研究人员可以利用这些工程挫折来精确地改变表面的图案。通过改变图案，他们可以调整表面的属性。

“挫折线会改变材料的密度、排列或成分。这会改变材料的特性，我们可以利用这一点，”保利诺说。

保利诺说，研究人员已经使用建模和实验来证明该技术在一维和二维系统中的应用。他说，研究人员正在进行进一步的工作，以通过堆叠电池以及水平连接它们来了解该技术如何在三个维度上发挥作用。

保利诺说，这项技术的灵感来自晶体学。许多重要的材料特性是由晶体结构的几何形状决定的。例如，钻石的净度和强度取决于碳结构的规则配置。Paulino和他的同事想探索他们是否可以使用几何学来模拟更大尺寸材料中的这些条件。

研究人员之一、印度马德拉斯理工学院教授PhanisriPratapa表示，研究人员对结果感到鼓舞，并渴望继续沿着这条探索路线继续前进。

“我们的折叠材料所展示的有趣机制表明，在基于折纸的建筑超材料中存在更多这样的谜团，这些谜团尚未解开，”他说。