北理工方岱宁院士、宋维力、陈浩森团队在折纸剪纸结构与器件领域取得进展
2020年1月27日，国际顶级材料期刊《先进功能材料》Adv. Funct. Mater.2020, 1909087（期刊IF=15.621）以“Active reconfigurable tristable square-twist origami“为题在线报道了北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁院士、宋维力、陈浩森团队在多稳态折纸结构的设计及应用方面的进展。
折纸结构在许多科学工程领域都有重要应用，如可重构超材料和机器人等领域。为了获得独特的可重构特征，折纸结构的多稳态特性成为科学工程界的研究热点。该课题组利用经典的Square-Twist折纸结构展示了一种多材料3D打印的三稳态折纸结构。通过调控异质聚合物结构的材料特性和几何参数，改变折纸结构折叠势能变化，建立了在Square-Twist折纸构型中获得多稳态结构的设计原理。在热激励条件下，可变形结构纸面区域刚度快速大幅度降低，导致结构纸面区域弯曲自由度增加，从而允许通过释放弹性折痕区域中预存能量来实现自展开。利用这种独特的特征和设计原理，设计并制作了具有五种不同工作模式的频率可重构折纸天线原型，具有可编程多输入多输出通信系统应用，旨在大幅提高信道容量和通信可靠性。这些发现和结果为推进主动折纸结构发展提供了设计原理和方法。
该研究团队发现经典的Square-Twist折纸结构根据可折叠的定理判断具有16种折叠方法但只有四种独立的构型，并发现按照其中两种折叠路径条件下会形成稳定状态如图1a所示。研究者利用多材料3D打印方式制备该结构（折痕区域和纸面区域分别采用模量较低和较高的类橡胶与类树脂材料），使得该结构通过改变折叠方式具有三种稳态，并利用实验证明了其稳态的存在如图1b所示。通过前人的研究可知，纸面与折痕材料的模量比的不同，会引发结构的稳定状态数量改变。对于聚合物材料体系热激励将引起材料模量数量级的变化，使得多材料打印的Square-Twist折纸结构可以发生状态转换如图1c所示。对于不同初始温度的条件下，结构的自展开温度不发生变化，可以说明结构确实是由于纸面刚度的变化起主要作用如图1d所示。两种稳态的构型折叠与温升展开势能曲线示意图如图1e所示。 在图2中，通过巧妙的设计了两种加载路径，利用有限元方法分析了Square-Twist折纸结构机械折叠和其热激励自展开过程的应变能变化，可以明显的看出稳态的存在及自展开过程能量的快速变化。研究者对Square-Twist折纸结构的关键几何参数对结构多稳态性质的影响进行了有限元分析和实验验证，对于具有三稳态的典型几何尺寸结构还进行了自展开温度的研究如图3所示。
该课题组将结构特殊的多稳态性质用于制备频率可重构天线，如图4所示，通过增加辐射贴片，使结构变为非对称结构，则折纸天线结构会有五种不同构型（天线的电长度会有五种变化）。折纸天线的五种工作状态分别对应的电流分布和工作频点回波损耗的有限元仿真结果与实测结果对比也在图4中进行了展示。该文中实现了一部Square-Twist折纸天线可以代替五部传统的天线功能，并展望了其在5G的关键技术大规模的多输入多输出系统中的潜在应用。
【图文简介】
图1.（a）多材料3D打印Square-twist结构的四个典型可折叠折痕图案，其峰折痕为红色，而谷折痕为蓝色，其中模式I和II为稳定状态，而模式III和IV为不稳定状态。（比例尺为10mm） （b）对具有稳态的转变模式I和II 进行单轴拉伸力学测试，并用插图说明了实验过程。 （c）在60℃水浴（温度均匀的环境）中，对Square-Twist折纸结构具有稳态的模式I和II进行热驱动自展开，使结构在模式I和II折叠条件下可以快速转变为初始未折叠状态。（比例尺为10mm） （d）两种转变模式在不同初始温度下的自展开行为实验结果。 （e）Square-Twist三稳态转换过程的势能曲线示意图。粉色实线表示室温下的机械折叠过程，灰色点线表示热驱动的自展开变形过程。黄星（转换模式I）和绿星（转换模式II）为各种稳定状态的势能变化关键点。
图2.（a）典型Square-Twist折纸结构的代表性几何参数。 参数h1，h2，h3和w分别表示Square-Twist结构的中心方形边长，外缘方形边长，折痕区域宽度及厚度。 （b）Square-Twist折纸结构I型和II型转换模式的典型区域（平面和折痕）应变图。 （c）和（d）表示了折纸结构的应变能有限元分析结果，包括从初始平面状态到I和II转变模式的机械折叠过程，以及热激励自展开过程。
图3.（a）Square-Twist折纸结构的有限元分析应变能归一化结果，其中值δ= 0表示初始应变能状态，δ= 0〜1表示不同几何参数条件下模式I或模式II的应变能状态。模式I和模式II的重叠区域即表示该几何参数条件下结构存在三稳态。 （b）基于有限元分析考虑变量h3 / h1，h2 / h1和w对Square-Twist结构的多稳态进行实验验证；（单稳态（菱形）-存在平面状态；双稳态（三角形）- 既存在平坦状态又存在转换模式I或者II；三稳态（六角星）- 存在平坦状态及转换模式I和II）。 （c）Square-Twist折纸结构在具有三稳态的几何参数条件下转换模式I和II的热驱动自折叠行为实验，其中实验点表示从室温加热到自展开行为的临界温度。
图4.（a）频率可重构Square-Twist折纸天线的组装部件。 （b）Square-Twist折纸天线的五种变形模式对应天线不同的工作状态（Z型辐射贴片），以及相应的模拟电流分布图。每种构型的插图都说明了变换前的折纸天线折痕图，红色的代表峰折痕和蓝色的代表谷折痕。（比例尺为7mm）。 （c）频率可重构折纸天线（Z型）在五种不同的稳定构型下，通过机械折叠和光热触发的自展开形状转换实验过程图片。（比例尺为10mm） （d）Z型辐射贴片频率可重构Square-Twist折纸天线的回波损耗的实验测量结果（S11）。 （e）折纸天线工作频点有限元模拟和实验之间的对比结果。
该研究工作第一作者为北理工先进结构技术研究院博士生王莅辰，宋维力副教授、陈浩森副教授和方岱宁院士为共同通讯作者。
此外，该团队近期还在折纸剪纸结构能量存储领域取得进展：（1）扭曲折纸剪纸结构设计引导机械能存储（ACS Appl. Mater. Interfaces2019, 11, 3450−3458；第一作者为北理工先进结构技术研究院博士生王莅辰）：将Square-twist构型与Miura-ori构型组合再结合剪纸思想设计了四种组合折纸剪纸构型。对于Square-twist结构折叠和温升自展开整个过程，可以与电池储能与释放的过程相类比，不同的是结构储存的是机械能，单元结构可以存储能源约为2.5 × 10−4J。（2）适用于柔性可变形锂离子电池的定制化剪纸结构电极（ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 780−788；第一作者为北京大学工学院博士生鲍垠桦）：结合普适性的高粘度墨水和可定制化的PDMS软模板制备了自支撑可变形的剪纸形电极。该电极具有优越的机械稳定性（超过500圈的循环拉伸次数）和稳定的电阻性能。有限元结果表明，柔性可拉伸剪纸电极结构能有效低缓解拉伸/弯曲过程的应力集中。经过500圈拉伸循环后的电极，并且组装成全电池后充放电循环100周后仍然保持94.5mAhg-1 (0.3C)。
相关论文链接：
[1] Li-Chen Wang, Wei-Li Song,* Ya-Jing Zhang, Mei-Jun Qu, Zeang Zhao, Mingji Chen, Yazheng Yang, Haosen Chen,* Daining Fang.* Active Reconfigurable Tristable Square‐Twist Origami.Adv. Funct. Mater., 2020, 30,201909087.
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201909087
[2] Li-Chen Wang, Wei-Li Song,* Daining Fang.* Twistable Origami and Kirigami: from Structure-Guided Smartness to Mechanical Energy Storage.ACS Appl. Mater. Interfaces2019, 11, 3450−3458.
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b17776.
[3] Yinhua Bao, Guangqi Hong, Ya Chen, Jian Chen, Haosen Chen,*, Wei-Li Song,* Daining Fang.* Customized Kirigami Electrodes for Flexible and Deformable Lithium-Ion Batteries.ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 780−788.
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