折纸和剪纸术是一种折叠和切割纸张的艺术，它启发了大量可伸缩的可重构材料和结构的开发，这些材料和结构可以在空间或平面上部署。这些概念已经跨学科实施，从机械存储器、机器人执行器、热可调结构、多稳态设备、复杂3D几何和可编程表面到柔性电子。折纸折痕和kirigami切割图案还提供了具有独特几何和机械特性的机械超材料设计，如可重构性、平折叠性和双稳态辅助性等。

最近人们感兴趣的是原位可重编程折叠超材料，它利用了折叠模式和运动几何体之间的固有耦合。在这里，刚性折叠性、平折叠性和承载性是可以描述折叠形式和实现某些功能性能的显著特征。刚性可折叠性表明，折叠仅由充当旋转铰链的折痕线控制，而不是刚性嵌板的变形。或者，在非刚性折叠图案中，面板合规性和折痕线都控制折叠。平面可折叠性是通过允许空间变换进入一个或多个平面状态而赋予高度可重构性的属性。可折叠超材料中的承载力仅指在多个方向上对任何给定配置中施加的荷载提供结构阻力的能力。

现有的以折纸为灵感的超材料提供了一定程度的可编程性，但它们无法同时实现刚性折叠性、平面折叠性和沿部署方向的承载能力。其中一个原因来自它们的单位细胞的运动学，它控制折痕图案折叠的方式。可折叠超材料使用Miura-ori、交错和管状图案，以及基于水泡图案的圆柱形结构和其他单元，利用折痕几何结构，展示了上述定义的部分但不是全部特性。例如，具有多个自由度（DOF）的刚性可折叠材料系统要么是松软的，要么需要精确控制折叠顺序，这一特性严重限制了它们承受多向载荷的能力。或者，非平面折叠概念的可重构性有限，使其尺寸和体积较大，并且大多数现有概念利用结构不稳定性或Kreseling模式33,41实现可重构性，是非刚性折叠的。要折叠，它们必须克服一个巨大的能量屏障，该屏障会弯曲和拉伸面板，从而牺牲承载能力。另一方面，提供一定负载阻力的可折叠图案只能在某些方向上实现，并且主要在展开方向上失去刚度。在服务期间负载方向不确定的应用程序中，这方面可能会出现问题，因此可能会将僵硬的配置恢复为软盘配置。

从目前的技术水平来看，一个有趣的问题出现了：折痕模式能否被设想为协调刚性折叠性、平面折叠性和多个方向上的承载能力（包括展开）的冲突性质？

近日，加拿大麦吉尔大学DamianoPasini团队以题为“Rigidlyflat-foldableclassoflockableorigami-inspiredmetamaterialswithtopologicalstiffstates”在《NatureCommunications》上提出了用于设计一类刚性平坦的可折叠超材料方法。这些超材料可在原位重新编程，以沿多个方向重新配置，一些是可折叠的，另一些是可锁定的，其中后者甚至沿部署方向也是多方向刚性的。结合了折纸和剪纸的概念，引入了一种折痕图案，这种折痕图案是在平坦的结构中构建的，随后以最少的层数堆叠，以沿着一条轨迹引导折叠。为了赋予折纸的可重构性，在折纸图案中引入了剪切，以放松由父折纸的面刚度所施加的变形约束，并在其细胞内空间内实现面接触。除了承载能力之外，我们的概念还提供了额外的特征，包括拓扑和对称切换，它们共同扩大了现场可编程性的程度。最后，提出了一种简单而有效、易于自动化的制造工艺，以实现平面结构的三维性。

图1：生成自锁运动链和细分及其纸板原型的概念方案。

图2：通向可锁定和平折叠模式的多个运动路径。

图3：折叠后拓扑和对称性的变化。

图4：能量分布图和模态相图。

图5：单元折纸超材料的平面外压缩响应。

图6：多向承载能力和原位可编程性。

文章信息：

Jamalimehr,A.,Mirzajanzadeh,M.,Akbarzadeh,A.etal.Rigidlyflat-foldableclassoflockableorigami-inspiredmetamaterialswithtopologicalstiffstates.NatCommun13,().

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