大牛教你用剪纸发顶刊

一、导读

剪纸艺术是最古老的中国民间艺术之一，它能给人以视觉上的艺术享受，至今已经有一千五百年的历史。唐代还出现了专门描述剪纸的诗句。《采胜》诗写到："剪采赠相亲，银钗缀凤真。叶逐金刀出，花随玉指新。"描绘出了唐代佳人剪纸的优美动作和剪出的花鸟草虫的美丽效果。作为一种原始艺术的载体，它善于将不同空间、时间的物象进行组合，通过一种变形的手法来改变对象的性质、形式，呈现出所需要表现的形象。科学家对于剪纸的应用已经超越了对美术的追求。剪纸技术已经成为开发柔性电子和智能系统等前沿研究的一个强大的工具。剪纸结构是可以拉伸、旋转和弯曲的，因此，可以借助剪纸技术将二维平面构建成三维结构。通过设计剪纸的图案，可以得到任意目标形貌。剪纸的创造性将会赋予材料学和工程学不一样的色彩。

二、剪纸相关的研究进展

1. Nature materials: 基于剪纸的可编程形貌^[1]

与更为知名的“折纸艺术”利用折叠来塑造三维形状不同的是，剪纸技术利用平面材料上的切口来改变形变方式，使其能够组装成三维形状。长期以来，艺术家们一直使用这种艺术形式来创造各种各样的东西，从弹出式卡片到城堡和龙。哈佛大学工程与应用科学学院的研究人员受到剪纸的启发，开发出了一种可以将任何材料变成目标形状的数学框架。并利用它们建立的算法，通过设计平面切割的数量、大小和方向，二维能够变成任何给定的形状。同时，作者认为，这仅仅是利用几何学、拓扑学和剪纸结合设计三维形状的开始。

2. Advanced materials：剪纸启发的、可编程形貌的气球^[2]

受日本剪纸艺术的启发，哈佛大学的研究团队提出了一种“可编程气球”的创意，可以将气球塑造成预先设定好的形状。该系统的剪纸图案是基于周期性切割的薄板材得到的。这些薄片被嵌入在一个充气装置中，当气球膨胀时，剪纸薄片上的切口会引导其形变。研究人员可以全局的控制扩张的方式，以形成宏观的形状，也可以在局部生成细小的形貌。当气球充气时，切口会使得气球在某些地方伸展更多、其它地方则略微收缩，从而让形貌可控的充气装置呈现出一些相当不规则的形状。该团队还开发了一个算法，通过优化剪纸图案的设计，使其能更加地吻合目标的形状。除了酷炫的三维结构，该文章的作者还希望该方法能够用于设计制造新型医疗设备以及软体机器人。

3. Advanced functional materials：剪纸启发的自组装三维结构^[3]

三维结构的自组装提供了一个非常有前景的制造方法，无需人工干预即可实现形状多样的功能性三维结构。常用的自组装方法是利用铰接结构的刺激响应折叠，然而，这些方法需要在铰链部位设计非对称的材料和几何结构，增加了制造过程的复杂性。这篇文章报道了基于剪纸的、无铰链的平面自组装成复杂三维结构的方法。因为上下两层材料的性质不同，在外界刺激时，非对称的膨胀使得材料发生弯曲形变，成形三维结构。并且，作者开发了一个有限元分析模型，以阐明剪纸结构自组装成形三维结构的机理，并通过实验的方式验证了模型的正确性。基于有限元模型，该研究首先验证了二维剪纸平面自组装成字母（Advanced Functional Materials），如图所示。该研究所提出的设计原理可以应用于多种材料，因此，这项研究为智能响应的、无线的和可形变的多功能系统的开发做出了重要贡献。

4. Advanced materials：基于剪纸的纳米尺度的三维结构^[4]

来自卡耐基梅隆大学、西北大学和宾夕法尼亚州立大学的科学家首先利用高精度的微纳加工的方法合成了超薄的平面，然后在薄膜上进行切割。在薄膜上设计剪纸图案，在切口处剪纸系统是不稳定的，当机械力力作用于薄膜时，就会产生三维的纳米结构。在薄膜中剪纸图案的诱导下，残余应力驱动图案产生了目标的三维结构。通过设计切口的位置和尺寸，薄膜可以弯曲和扭转形成各种各样的形状，包括对称和不对称的三维形貌。这是研究人员首次利用几十纳米厚的薄膜来实现一些不同寻常的三维形。这种基于剪纸的纳米加工可以推动微纳结构制造和软体机器人的发展。该研究设计的机器人可以根据环境的变化从一种形状转变为另一种形状。它在高温下改变形状，可以使更多的空气在设备内流动，有效地防止系统过热。利用该技术制造的柔性电子设备可以应用于微纳尺度的夹持器、空间光调制器或飞机机翼上的流量控制等方面。同时，该技术还有望在生物医学设备和能源收集等方面。

5. Nature biomedical engineering： 基于剪纸的防滑鞋底^[5]

如何防止摔跤？这是一个与人们生活息息相关的科学问题。每年都有很多的人因为滑倒而受到不同程度的伤，影响正常生活。尤其对于老年人而言，摔跤甚至可能意味着生命的结束。近日，美国麻省理工的团队受自然界中动物千奇百怪的行走方式的启发，基于创造性的剪纸艺术，开发出一种可以动态调节与地面的摩擦力、有效增加抓地力的新型仿生鞋底。该工作发表在自然杂志子刊《Nature Biomedical Engineering》上，题为：“Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips”。在本报道中，作者们使用钢片制备出剪纸结构，这种结构可以在鞋底平放和弯曲变形时产生不同的形貌。在步行过程中，通过改变鞋底的曲率来激活剪纸鞋底，以增强鞋底与步行表面之间的摩擦力，并降低滑倒和摔倒的可能性。

6. Science robotics：让驱动器爬行的剪纸皮肤^[6]

哈佛大学的研究人员已经开发出一种受蛇启发的软体机器人。该软体机器人是使用剪纸技术制造的，依靠切割而不是折叠来改变材料的特性。随着机器人内部驱动器的伸展，机器人扁平的剪纸结构转换成一个三维的表面，它可以像蛇皮一样紧紧地抓住地面。当驱动器缩小时，三维表面恢复至扁平的状态，推动机器人向前爬行，研究人员在校园里测试了它的爬行能力，如上图所示。研究小组还探索了不同形状的剪纸结构，包括三角形、圆形和梯形。他们发现梯形剪纸结构，和蛇鳞的形状最相似，可以使软体机器人的步幅更长。软体机器人的爬行能力可以通过平衡剪纸的几何形状和驱动的方式来进一步优化。最后，研究人员制造了一个无线驱动的仿生软体机器人，车载控制、传感、驱动和电源都集成在它细小的尾巴里。该工作以“Kirigami skins make a simple soft actuator crawl”发表在《Science Robotics》上

7. Advanced materials：光驱动的剪纸机器人^[7]

软体机器人通常是基于弹性模量和人体相近的柔性材料制备的，以提升其实际可操作性，提供更安全的人机交互。目前，碳基双层膜体系、交联弹性体、水凝胶体系及功能改性硅橡胶等诸多体系已经被广泛应用于软体机器人的构建和应用中。智能响应材料体系的引入推动着软体机器人向着无线、远程操控以及小型化等方向发展。但是，目前多数软体机器人的设计和结构仍较为简单，构建复杂三维结构的智能软体机器人仍是一项很有挑战性的工作。近日，台北滚球体育 大学的研究者基于液晶聚合物网络的光敏性膜为柔性材料，并结合剪纸技术构建光响应的软体机器人。在光照下，二维剪纸平面可以转换成三维的功能性结构。该研究借助剪纸技术制备了光驱动的滚动机器人，机器人可以沿着预定的路线行走和在倾斜的表面上运动。相关论文发表于《Advanced Materials》，题为：“Kirigami-based light-induced shape-morphing and locomotion”。

8. Advanced materials：剪纸启发的水凝胶多触点开关^[8]

刺激响应材料在软体机器人，智能设备等方面具有广阔的应用前景。在各式各样的设计制造三维结构的策略中，剪纸技术被认为是将平面的材料转变成复杂的功能性三维结构的强大的工具。浙江大学吴子良课题组4月在《Advanced Materials》期刊上发表题为: ‘‘Kirigami‐Design‐Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch” 的文章。该研究演示了一些基于剪纸的和复合水凝胶片的、可编程的多稳态三维结构。在剪纸结构中，切口的引入破坏了几何结构的连续性，因此可以有效地增加系统的形变自由度。通过控制每个部位的弯曲方向，可以在单个复合水凝胶中获得多种三维形貌。也可以通过使用分层设计的剪纸图案获得多层结构，再利用多层凝胶结构来实现电路的多触点开关。基于剪纸结构的可编程形变的设计也适用于其它的智能材料，因此有望应用于生物医学设备和柔性电子等方面。

9. Science advances：基于剪纸的柔性传感器^[9]

长时间坐在电脑前会带来脖子和背部的伤痛，除了购买更符合人体工程学的座椅和定期站立和伸展，用来预防久坐的员工患上肌肉和骨骼等疾病的方法不是很多。在这方面，香港城市大学的研究人员基于剪纸艺术发明了一种新的设备，可以提醒人们在什么时候移动哪些关节。研究人员在《Science Advances》上发表了题为“Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders”的文章。他们制造了一种具有蜂窝形网格的柔性传感器，这些网格是通过剪纸技术制造出来的。该柔性设备还包含了传感器，可以将检测关节运动的电信号，并将信号发送给计算机。剪纸结构带来的灵活性使得传感器可以直接贴附在脖子、肩膀、肘部和手腕上。如果长时间不动，电脑上就会弹出一个警告，提示在30分钟内站立、运动某个关节至少10次等。这款基于剪纸的柔性传感器最酷的地方在于，被“切割”的部分使得原本坚硬的材料变成可以拉伸和弯曲的，而不会破坏电子设备的性能。此外，相比于传统笨重的组件，该设备可以直接贴附在可能会出现问题的关节上，更加的方便，将有效地提升人们的身体健康状态。

10. Materials today: 剪纸启发的传感器和电极^[11]

随着可穿戴传感器的普及，人们对能在人体运动产生的压力和应变下而不会损坏的材料的需求越来越高。《Materials Today》报道了一篇基于剪纸的可穿戴传感器，题为“Kirigami-inspired strain-insensitive sensors based on atomically-thin materials”。与金属和其它传统材料相比，石墨烯是非常有前景的一类材料，石墨烯可以在比较大的形变下而不会发生断裂。石墨烯是一种原子厚度的超薄的材料，该研究团队将石墨烯封装在两层聚酰亚胺层之间。然而，通过在材料上加工剪纸图案，可以有效地增强材料的可延展性能。研究小组发现，剪纸结构不仅可以提高石墨烯的可延展性，而且该器件不受应变的影响，不会产生运动伪影，这意味着即使材料发生了形变，其电状性能也不会发生变化。该基于剪纸的传感器在应变达到240%或者扭转720度的情况下，其电阻几乎不会变化。剪纸启发的高度可拉伸的策略将来可以应用在可穿戴健康检测的多功能传感器上。

参考文献

[1] Choi G.P.T., Dudte L.H., Mahadevan L. Programming shape using kirigami tessellations[J]. Nat Mater, 2019, 18(9): 999-1004.

[2] Jin L., Forte A.E., Deng B., Rafsanjani A., Bertoldi K. Kirigami‐inspired inflatables with programmable shapes[J]. Advanced Materials, 2020, 32(33):2001863.

[3] Abdullah A.M., Li X., Braun P.V., Rogers J.A., Hsia K.J. Kirigami‐inspired self‐assembly of 3d structures[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 1909888

[4] Zhang X., Medina L., Cai H., Aksyuk V., Espinosa H.D., Lopez D. Kirigami engineering-nanoscale structures exhibiting a range of controllable 3d configurations[J]. Adv Mater, 2021, 33(5):2005275

[5] Babaee S., Pajovic S., Rafsanjani A., Shi Y., Bertoldi K., Traverso G. Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips[J]. Nat Biomed Eng, 2020, advanced article, doi:10.1038/s41551-020-0564-3.

[6] Rafsanjani A., Zhang Y., Liu B., Rubinstein S.M., Bertoldi K. Kirigami skins make a simple soft actuator crawl[J]. Science Robotics, 2018, 3(15):eaar7555.

[7] Cheng Y.C., Lu H.C., Lee X., Zeng H., Priimagi A. Kirigami-based light-induced shape-morphing and locomotion[J]. Adv Mater, 2019,1906233.

[8] Hao X.P., Xu Z., Li C.Y., Hong W., Zheng Q., Wu Z.L. Kirigami‐design‐enabled hydrogel multimorphs with application as a multistate switch[J]. Advanced Materials, 2020,2000781.

[9] Ying Hong* B.W., Weikang Lin, Lihan Jin, Shiyuan Liu, Xiaowei Luo, Jia Pan, Wenping Wang, Zhengbao Yang. Highly anisotropic and flexible piezoceramic kirigami for preventing joint disorders[J]. Sci Adv, 2021, 7 : eabf0795.

[10] Yong K., De S., Hsieh E.Y., Leem J., Aluru N.R., Nam S. Kirigami-inspired strain-insensitive sensors based on atomically-thin materials[J]. Materials Today, 2020, 34:58-65.

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