文|陳根

“超材料”（Metamaterial）是21世紀(jì)以來(lái)出現(xiàn)的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，而且這些性質(zhì)主要來(lái)自人工的特殊結(jié)構(gòu)。超材料設(shè)計(jì)思想新穎，通過(guò)在多種物理結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)來(lái)突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。

超材料的設(shè)計(jì)思想昭示人們可以在不違背基本的物理學(xué)規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”，把功能材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)帶入一個(gè)嶄新的天地。

折紙是一門歷史悠久的藝術(shù)，這種可以將二維材料轉(zhuǎn)換成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，為超材料的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路，且這種幾何設(shè)計(jì)方法不受模型尺寸和材料的限制。

近日，在AIP出版的《Applied Physics Reviews》中，美國(guó)和中國(guó)的研究人員從折紙藝術(shù)中獲得靈感，發(fā)現(xiàn)了新的折紙和剪紙?jiān)O(shè)計(jì)，特別是彎曲的折紙?jiān)O(shè)計(jì)、混合折紙-剪紙?jiān)O(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)和層次化設(shè)計(jì)。

研究人員根據(jù)兩個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)，將基于折紙和剪紙的人工工程超材料分為六組。根據(jù)彈性能量景觀，每組材料又被細(xì)分為剛性或可變形類別。如果能量只儲(chǔ)存在折痕或連接處，則超材料被歸為剛性材料；如果能量同時(shí)儲(chǔ)存在折痕或連接處和面板上，則超材料被歸入可變形類別。

隨后，研究人員又將超材料分為三類，包括基于折紙的超材料（僅折疊）、基于剪紙的超材料（僅切割）、基于折紙-剪紙混合的超材料（既折疊又切割）。發(fā)現(xiàn)混合型折紙-折紙超材料，在形變方面有很大的潛力。

基于折紙的機(jī)械超材料可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如柔性電子、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、土木工程以及航空航天工程等。傳統(tǒng)上，紙可被用來(lái)做超材料的原型，但紙的脆弱性和可塑性存在一定的限制。而該研究為探索具有不同性質(zhì)的，薄或厚、軟或硬、彈性或塑料的超材料提供了幫助。