基于形状记忆聚合物的折纸超结构

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    折纸不仅是一种传统的艺术形式，近年来，它也逐渐成为材料科学、机器人技术和工程设计中的重要灵感源泉。结合形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer，简称SMP）这一创新材料，折纸超结构的发展呈现出巨大的潜力。通过与SMP结合，折纸设计不仅仅是静态的，它们能够动态响应环境，完成复杂的形变。应用领域包括软体机器人、可调节结构及生物医疗设备等。这些可折叠、可编程的结构不仅在外观上美观精巧，更在功能上具有自适应、智能化的特性。

一．什么是形状记忆聚合物？

    形状记忆聚合物是一类智能材料，能够在特定条件下“记住”并恢复原始形状。通常，SMP在外部刺激（如温度、光、磁场等）作用下，从一种形状转换为另一种形状。这一特性使得SMP在许多领域中成为具有前景的材料。SMP的形状记忆效应主要取决于SMP内部的两相态：固定相（保持宏观原始形状）和可逆相（改变原始形状并固定）。SMP的工作流程可总结为如下几点：

1.变形

    预设变形温度 Td 高于玻璃态转化温度 Tg，改变SMP形状，链构象发生改变，此时处于较低稳定状态，表现为能量增加或熵弹水平的递减。此时，可以通过加载外力将其变形成其他形状。在这个过程中，SMP会根据外力而发生形状变化。

2.冷却

    如果需要固定新的形状，需要设定冷却温度Ts低于玻璃态转化温度 Tg，同时在外力作用下保持SMP变形形状。

3.固定

    在设定温度完全低于玻璃态转化温度时，卸掉载荷。此时聚合物的物理/化学交联网络处于低能量状态，分子链段被锁定无法自由旋转，宏观表现为可逆态硬化，应力和应变被锁住，SMP材料会保持新的形状。

4.恢复

    当再次升高温度至 Tg 以上时，分子链段开关被打开发生自由旋转，宏观表现为可逆态软化并具备弹性能力，此时熵弹性驱动聚合物网络恢复初始状态，SMP材料会恢复其初始形状，回到最初的预设形状。

    通过控制温度，SMP可以在临时固定形状和原始形状之间进行转换，实现形状存储和形状记忆的功能。

二. 什么是折纸超结构？

    折纸超结构是一种基于折纸技术的可折叠设计，它们可以通过折叠和平展来改变形态，通常由具有柔性或硬度的材料制成。将传统的折纸艺术与先进材料相结合，能够创造出功能多样、形态复杂的结构。

    折纸超结构通过在薄膜材料中引入折痕来设计，将薄膜材料划分为柔性区域（折痕）和刚性区域（面板）。折痕能够实现面板在变形过程中的旋转，影响折叠和展开时的弹性能量，赋予折纸可编程的机械性能。因此，机械性能依赖于柔性区域和刚性区域之间的平衡。

    折纸超结构根据弹性能的分布可分为平面折纸超结构（刚性折纸）和曲面折纸超结构（变形折纸）。刚性折纸的面板为平面，且在变形期间保持刚性，刚性折纸中的能量主要存储在折痕或连接区域，其设计简单，具有预测力学行为，但其在用于可调刚度时有一定的局限性。

图片源自论文《Origami based Mechanical Metamaterials》

（a）折叠状态的结构（b）平面状态的结构（c）结构中的单元（d） 聚焦于中心点的非局部元素

    而对于变形折纸，其面板为曲面，面板在结构变形期间也会变形，能量存储在面板和折痕或连接区域内，能实现更复杂的能量景观，提供更多可编程性，在刚度和稳定性方面更灵活。

图片源自论文《Curved-Crease origami for morphing metamaterials》

（a）展开状态（b）部分折叠状态（c）完全折叠状态

    折纸超结构在多个领域都有广泛的应用潜力，尤其在自适应建筑结构、可展开卫星天线、微型机器人和医疗设备等领域展现了非凡的前景。传统折纸通常是静态设计，而通过形状记忆聚合物的加入，这些结构变得能够动态响应外部环境，从而成为一种全新的智能化设计。

三. 基于SMP的折纸超结构的工作原理

    基于SMP的折纸超结构的工作原理主要基于SMP材料的特性，即形状记忆效应。对于下图的SMP平面结构的整个工作过程可以初步分为形状设定阶段和形状恢复阶段。

    形状设定：这个阶段主要将材料折成指定形状。首先将初始形状的SMP平面加热到玻璃化转变温度以上，并将其沿对角线对折；然后在通过保持加载维持折叠状态，将试样温度降低到玻璃化转变温度以下；最后保持低温的同时撤去外载荷，临时的折叠形状会被固定，完成临时形状的设定。

    形状恢复：这个阶段将材料从临时形状恢复到初始形状。通过将折叠的SMP结构重新加热至玻璃化转变温度以上，其就会从临时的折叠形状恢复到初始的平面形状。

    基于这一工作原理，设计的基于SMP的折纸超结构可以通过控制温度的变化来实现形状的变换和记忆，从而实现折叠结构的展开、收缩等动作。利用SMP材料的形状记忆效应，折纸超结构可以在外界条件改变的情况下实现结构形状的变化，使其在不同形态下达到不同的功能和应用。

四. 应用前景

    基于SMP的折纸超结构在许多领域都有广泛的应用潜力，以下是一些具有代表性的应用前景：

    软体机器人：SMP的低密度和可控形变特性非常适合软体机器人。折纸超结构能够根据任务需求调整形态，例如穿越狭窄空间或抓取不规则物体。

    生物医疗设备：SMP折纸结构可以用于可植入设备或手术工具的开发。通过体内环境温度的变化，设备能够自动展开或收缩，从而简化手术过程。

    自适应建筑与结构：在建筑设计中，基于SMP的折纸结构可以用于可调节的窗户、墙体或屋顶。这些结构能够根据天气状况自动打开或关闭，从而提高能源效率。

    航空航天：折纸结构的轻便性和可折叠性使其在空间有限的航空航天应用中尤为重要，例如可折叠卫星天线、太阳能帆板等。

   折纸超结构和形状记忆聚合物的结合，是一种艺术与科技的融合，创造了一种能够响应环境变化的动态结构。为机器人技术、医疗器械、建筑工程等领域提供了更多的发展空间。总之，基于SMP的折纸超结构将在更广泛的领域中展现其强大的潜力！