武汉大学李阳·Sci. Adv·剪纸结构·可编程多稳态·手性机械超材料·软体机器人·可重构天线·柔性电子·电子皮肤·电容式机械传感器·智能表面
综述：为应对弹出式二维制造—三维服役结构在运动模式单一、稳定态数量有限、难以非对称部署和大规模互连装配等方面的瓶颈，武汉大学Yang Li团队提出广义弹出式剪纸（GenPUK）平台，以离散稳定态多相容性替代传统几何对称约束，实现了可编程多稳态、非平行弹出取向与受控扭转耦合。具体而言，该团队将剪纸单元视为空间连杆机构，通过多环耦合和反向设计构建双稳态/三稳态单元、倾斜中枢单元及互连铺展结构；这些结构表现出轴向—扭转转换、可设计部署曲率、可拼接三维表面和多模态触觉感知等功能。其性能来源于6R/8R剪纸环路、多环离散相容约束、LET柔性铰链以及平面加工—三维服役解耦设计。该工作为手性机械超材料、软体机器人、可重构天线/反射面和3D电子皮肤提供了可扩展制造路线。相关论文以“Architecting three-dimensional reconfigurable matter from pop-up kirigami with programmable multistability”为题，发表在Science Advances上。技术路线图（部分）如下：图1 中文图注：多稳态弹出式剪纸的概览。（A）与其他弹出式系统相比，多稳态弹出式剪纸具有四项优势。（B）多稳态弹出式剪纸相对于普通弹出式系统的优势：Sarrus 连杆（25）、Kresling 折纸（26）、RES（27）和 ori-kirigami（28）。在空间稳定态数量、弹出取向设计空间、镶嵌能力以及易制造性方面，它们均弱于多稳态弹出式剪纸。（C至E）通过不同组装策略，多稳态弹出式剪纸在手性超材料、软体机器人臂和可重构天线表面中的初步应用。（F）其在柔性机械传感器中的初步应用（33–39）。由多稳态弹出式剪纸制成的柔性机械传感器具有高制造可扩展性和各向异性感知能力等优势。图2 中文图注：具有平行中心平台空间态的双稳态弹出式剪纸演示。（A）两个相同单环 6R 剪纸连杆的耦合策略。两个剪纸连杆以旋转对称方式放置，并通过铰链 H-1、H-2、H-3、H-4 以及其间连杆进行耦合。（B）对（C）中参数化图案对应的单环（双臂）和双环耦合（三臂）6R 剪纸连杆进行运动学分析。结果表明，通过调节铰链 H-2 和 H-5 的偏转角 βH2、βH5，单环 6R 剪纸连杆的归一化能垒无法超过 10⁻³，说明该连杆为伪机构（41）；而在耦合系统中，该能垒相对增大。（D）双环耦合剪纸连杆的连续快照。（E）双环耦合剪纸连杆的力-位移曲线。（F）反向堆叠手性单元的两阶段转变过程。在阶段 I 中，单元被拉伸并抬升，同时中心平台旋转，直至达到稳定态 2 的尖点；随后进入自锁状态。进一步按压会使中心平台继续沿同一方向旋转并下降，直至变为平面状态（阶段 II）。（G和H）通过两个阶段的力-位移-扭转曲线进行实验验证。实验细节见补充材料。（I）在稳定态 2 具有不同中心平台与臂旋转角的双环耦合剪纸连杆仿真结果。（E）中的核心指标通过仿真获得，包括最大归一化中心平台位移 Ht,max/HS2、拉伸阶段最大变形能 Et,max、压缩阶段最大变形能 Ec,max、最大位移处的中心平台扭转角 θHtmax 以及最大能量处的中心平台扭转角 θEcmax。图3 中文图注：具有预设弹出取向中心平台的双稳态弹出式剪纸演示。（A）由 6R 剪纸连杆环 L1 和 L2 耦合形成的 GenPUK 切割图案。通过调节铰链 H-2、环 L1 的 H-5 以及环 L2 的 H-4、H-5、H-6 的偏转角等可设计参数，中心平台取向可以正向调节为倾斜状态。（B）GenPUK 关于中心平台取向的设计空间。右图中纬度角 φHub 与经度角 λHub 的分布表示倾斜中心平台的取向，每个点的颜色表示中心平台中心的弹出高度。（C）通过调节偏转角得到的 GenPUK 有限设计空间。双稳态 GenPUK 的可行解集中在较窄区域内。双稳态通过“变形-释放”方法确定，具体见补充材料。（D至E）倾斜中心平台 GenPUK 的实验结果。需要注意，力-位移曲线中的突变源于转变过程中中心平台高度变化有限。（F）倾斜中心平台 GenPUK 单元的磁驱动基本构想。（G）倾斜中心平台 GenPUK 的重构过程。（H）倾斜中心平台 GenPUK 的堆叠，用于拟合空间曲线。（I）GenPUK 堆叠末端中心平台的取向空间。该空间可通过调节安装角 θins 来扩展。（J和K）由相同 GenPUK 单元、不同安装角构成的两个代表性物理模型。（L）倾斜中心平台 GenPUK 的平铺，用于拟合空间曲面。（M）拟合空间曲面的约束条件，包括中心平台中心位于目标曲面上，以及中心平台取向朝向曲面的法向量。（N）可重构平铺曲面的物理模型。图4 中文图注：广义构型中多稳态弹出式剪纸的演示。（A）通过与 Miura 折纸耦合实现能垒增强的策略。稳定性得到增强：原始单环剪纸无法维持构型，而双环耦合剪纸能够维持构型。（B）待耦合的单环剪纸与 Miura-ori 的运动学分析。相容性条件仅在两条运动学曲线的两个交点处得到满足。（C）通过中间三折痕折纸桥接单环剪纸的耦合策略。两个剪纸的放置需要满足对称性（标记为 + 和 −）。下方面板所示的基于三折痕折纸耦合的镶嵌策略由该条件推导得到。（D）三臂构型中弹出式剪纸的三种变体。类型 I 为 Miura 耦合弹出式剪纸，类型 II 和类型 III 由其衍生，但“山折”和“谷折”铰链排布不同。类型 III 被证明是 RES 的标准构型（27）。（E）具有三个稳定态的弹出式剪纸（GenPUK-3）。它通过在普通 GenPUK-2 单元的每个臂上增加一条折痕构建而成。（F）两个底部铰链的偏转角 βa 和 γH1 对稳定态 3 中心平台高度的影响关系。（G）具有三个稳定态预设中心平台扭转角的 GenPUK-3 重构过程。图5 中文图注：GenPUK 基机械传感器的设计与性能。（A）传感器的示意模型与物理模型。电容变化反映外加载荷。（B）传感器细节。该单元由 PI 材料制成，并通过 UV 激光雕刻机在其上切割层状涌现扭转（LET）关节（43）。三个电容器通过在每个臂板和单元底部涂覆铜形成。（C）制备与测试流程。（D）中心按压的传感测试。（E）中心按压的实验结果。三个臂上电容器的一致性由偏差小于 20% 的结果验证（前两种情形除外）。（F）噪声基底性能测试。（G）偏心按压的传感测试。（H）偏心按压的实验结果。该 3D 架构传感器的多模态特性通过三个电容器之间不同的弹性信号响应得到验证，即 ΔCH1 ≈ ΔCH2 > ΔCH3。（I）GenPUK 基传感器的优势响应图。偏心按压的加载位置变化会使最高信号响应对应的电容器发生变化，并由实验（左）和仿真（右）验证。（J）倾斜按压的传感测试。（K）倾斜按压的实验结果。在不同加载方向的测试中可观察到不同响应。（L）耐久性性能测试。经过 40 次循环加载后未观察到明显劣化。研究动机：弹出式机械系统能够由二维片材重构为复杂三维结构，是先进制造、可部署器件、机械超材料、软体机器人和柔性电子的重要结构基础。多稳态弹出式剪纸进一步允许制造态与功能态解耦，即在平面状态完成高通量加工，在三维稳定态承担可重构服役功能。前人工作瓶颈：传统多稳态弹出系统多依赖几何对称的多环耦合策略，设计空间主要限于垂直弹出或简单双稳态，难以实现非对称弹出取向、受控扭转部署、更多稳定态以及大尺度互连铺展结构。Sarrus linkage、Kresling origami、rotational erection systems（RES）和ori-kirigami等代表性体系在空间稳定态数量、弹出方向可设计性、拼接能力与加工便利性之间存在明显权衡。本工作的解决方案：作者提出广义弹出式剪纸（GenPUK）设计平台，将剪纸视为空间连杆系统，以离散稳定态下的多相容性作为核心约束，突破对称几何依赖；通过耦合同质或异质6R/8R剪纸环路，构建双稳态、倾斜中枢和三稳态单元，并进一步实现堆叠、平铺与器件化集成。引出关键问题：该研究回应的核心科学与工程问题是，如何在保持二维平面快速制造优势的同时，反向设计具有可编程三维构型、多稳定态、受控扭转运动和可扩展组装能力的弹出式可重构物质。提出了以多相容性替代几何对称性的广义多环耦合设计原则，明确多稳态弹出式剪纸的本质条件不是整体对称，而是在离散稳定态满足结构相容，从而显著扩展弹出取向、扭转角和空间构型设计空间。创新性构建了GenPUK-2双稳态弹出式剪纸单元，通过两个6R剪纸环路的耦合增强能垒，并实现拉伸—抬升—扭转与压缩—下降—同向扭转的两阶段轴向—扭转转换，为手性机械超材料提供了可编程结构单元。创新性实现了具有预设非平行中枢取向的倾斜中枢GenPUK单元，可通过参数化反向设计控制纬度角、经度角与弹出高度，并结合磁驱动实现快速、平滑的三维部署。提出了多稳态形成的一般化拓扑策略，包括6R剪纸环与Miura-ori环耦合、三折痕origami桥接多剪纸环，以及由6R扩展至8R的GenPUK-3三稳态单元，实现两个可编程空间稳定态。首次展示了基于GenPUK的3D架构电子机械传感器，将平面激光加工、铜导电涂覆和电容阵列集成于可弹出三维结构中，获得对中心按压、偏置按压和倾斜按压的多模态、各向异性感知能力。元件与材料：0.3 mm厚PI薄膜、铜导电涂料、胶黏层、激光加工掩膜、LET柔性铰链、集成电容器、底部电路层、磁驱动单元等。组装策略：采用平面激光刻蚀/切割构建GenPUK图案与LET柔性铰链，利用掩膜辅助铜导电涂覆形成电容电极与电路层，再通过定位孔对准和胶黏层复合，将二维前驱体转化为可弹出三维传感器；结构层面则通过多环耦合、垂直堆叠和水平平铺实现曲线/曲面可重构组装。设计机理关键词：多环耦合、多相容性约束、6R/8R空间连杆、Bricard机制、离散稳定态、轴向—扭转耦合、LET铰链应力分散、平面制造—三维服役解耦。结构性能优势：可编程多稳态、非对称弹出取向、受控扭转运动、增强能垒、可拼接互连、可磁驱动部署、平面高通量制造、三维多模态触觉感知。应用领域简写：机械超材料（metamaterials）、软体机器人（soft robotics）、可重构天线/反射面（reconfigurable antenna/reflector）、柔性电子（FE）、电子皮肤（e-skin）、机械传感器（mechanosensor）。主要性能表现：GenPUK-2表现出明确双稳态行为和两阶段非互易轴向—扭转转换；在拉伸阶段，中枢抬升并沿单一方向扭转至空间稳定态；在压缩阶段，结构自锁后继续沿同一方向扭转并下降回平面态，构成单向手性扭转响应。性能支撑机制：双环耦合显著提高单环6R剪纸伪机构的能垒，使平面稳定态与弹出稳定态在结构上兼容，并通过中枢与臂板的耦合几何关系将双向轴向输入转化为单向扭转载荷响应。结构/元件设计赋能：作者通过旋转对称的6R环路耦合、H-1/H-2/H-3/H-4等共用铰链连接以及参数化铰链偏转角设计，实现中枢高度、扭转角、最大拉伸能和压缩能等关键指标的可调控。次要性能表现：倾斜中枢GenPUK可实现预设弹出方向与空间曲线/曲面拟合；GenPUK-3可形成三重稳定态；平铺结构可由平面状态转变为预定抛物面；传感器可在中心、偏置和倾斜载荷下给出差异化电容响应。机理支撑：非对称双环耦合只要求稳定态离散相容，从而允许中枢法向偏离垂直方向；8R机构相较6R具有更大构型空间，在相同双环耦合约束下可容纳额外稳定态；三维电容传感则依赖外力引发的结构形变改变电极相对面积与电容信号。结构/元件归因：PI薄膜和LET铰链提供可弯折、可扭转且适于激光加工的柔性基底；铜导电薄膜构成空间分布式电容；GenPUK三维架构赋予不同方位力载荷差异化传递路径，从而形成各向异性、多模态和位置可解码的触觉映射。材料综合特性汇总：该平台兼具二维平面可制造性、三维可重构性、可编程多稳态、可调机械刚度、可拼接互连和多模态力学响应，能够将结构可设计性直接转化为器件功能。典型应用方向：在手性机械超材料中，逆向堆叠GenPUK单元可实现可调轴向—扭转转换；在软体机器人中，倾斜中枢单元的垂直堆叠可形成预定弯曲或扭转管状结构；在可重构光学/天线反射面中，水平平铺单元可由平面部署为特定三维曲面；在电子皮肤中，GenPUK三维电容阵列可感知压力、偏置载荷和倾斜载荷。具体表现指标：中心按压测试中，三个臂上电容器响应趋势基本一致，当归一化位移dps > 0.1dS2时偏差小于20%；偏置按压测试中，臂1和臂2电容响应高于臂3，并可建立载荷位置优势图；倾斜按压测试显示不同加载方向产生不同臂响应；耐久性测试中，40次循环加载后未观察到明显性能衰减。研究成果的核心贡献：该工作从理论设计、结构验证、组装演示和器件应用四个层面建立了GenPUK广义弹出式剪纸平台，证明多环耦合可在非对称条件下实现可编程多稳态和复杂三维重构。科学或工程意义：研究将传统依赖几何对称的弹出式结构设计拓展为基于离散多相容性的反向设计问题，为多稳态机构、剪纸超材料和可制造三维柔性电子之间建立了统一设计框架。潜在拓展应用领域：未来可面向微型化3D电子皮肤、可调电磁超表面、智能可重构表面、软体机器人末端执行器、部署式空间结构、可穿戴触觉界面和多轴力传感阵列等方向继续发展。结构种类：弹出式剪纸·广义弹出式剪纸·GenPUK·多稳态剪纸·三维可重构结构·3D架构电子皮肤机理：多环耦合·多相容性·6R剪纸连杆·8R剪纸连杆·Bricard机制·轴向—扭转转换·非对称弹出·磁驱动·LET柔性铰链性能：可编程多稳态·双稳态·三稳态·可调弹出取向·受控扭转·增强能垒·可拼接互连·多模态感知·各向异性灵敏度·耐久性应用：手性机械超材料·软体机器人·可重构天线·可重构反射面·柔性电子·电子皮肤·电容式机械传感器·智能表面研究单位（中文）：武汉大学集成电路学院、武汉大学技术科学研究院、上海国家航空航天机构重点实验室、武汉大学动力与机械学院、佐治亚理工学院电气与计算机工程学院、武汉大学深圳研究院、中科院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家实验室等DOI：10.1126/sciadv.aec8244本公众号发布的内容（包括但不限于文字、图片、视频、音频及设计素材等），如有侵权，请联系删除。我们始终尊重知识产权，遵守《中华人民共和国著作权法》等相关法律法规，致力于维护健康的内容创作环境。欢迎大家免费投稿，联系邮箱：gel_hub@qq.com
