研究背景
传统折纸结构受限于材料模量低、柔顺性大等问题，难以满足工程应用中的实际承载需求。当前研究的厚板、弹簧或铰链骨架等折纸结构增强方法，虽然能提升结构刚度，但也增加了多组件装配复杂度，削弱了结构的自主展开性能。如何在单一构型中突破大展收比与高承载能力之间的矛盾，实现从紧凑收纳状态到稳定承载状态的自主切换，是新一代智能可展结构面临的关键难题。
文章简介
近日，北京理工大学赵则昂/雷红帅团队联合南方科技大学葛锜团队，提出一种基于4D打印技术的可展点阵结构：Ori-Lattice。该研究将折纸结构的高柔顺性与点阵结构的高承载性相融合，在传统点阵夹芯结构中引入可展折纸面板，通过面板-夹芯胞元的变形协同，解决了紧凑收纳、自主展开与高承载之间的矛盾。研究成果以“4D-Printed ‘Ori-Lattice’ With Ultrahigh Foldability and Load-Bearing Capacity”为题发表于《Advanced Functional Materials》。该研究基于质多三维MultiMatter C30系列光固化3D打印装备完成。
图文导读
图1. 陶瓷GRIN超构透镜的制备流程示意图
研究团队建立了Ori-lattice结构的空间几何位阻理论模型，推导了避免结构自干涉的参数设计空间，实现了Miura、Water-bomb、平行折痕等折纸面板与BCC、BCCZ等点阵胞元的连接耦合。基于形状记忆聚合物高精度数字光处理4D打印技术，将Ori-lattice可展点阵结构的点阵胞元与折纸面板一体化成型。打印完成后，结构面板根据折痕的位置折叠，引导点阵杆件在面内定向收缩，二者空间位置相互协调，实现Ori-lattice结构紧凑收纳。在外场热刺激下，Ori-lattice可展点阵结构从紧凑收纳态自主展开为高刚度承载态，体积展收比达到5:1，形状恢复率高达99%以上。
图2. Ori-lattice可展点阵结构几何位阻模型与参数设计空间
针对自主展开后的Ori-lattice结构，研究团队对多种构型开展了准静态压缩与三点弯曲实验和仿真。引入折纸面板的Ori-lattice结构，刚度和强度与实心面板传统点阵夹芯结构保持高度一致，表明可展折纸面板不会显著影响点阵结构的承载性能。与各类传统可展结构相比，Ori-lattice结构的展收比与薄折纸结构、柔性机构基本一致，承载性能显著提升，比模量与传统多孔点阵结构接近，制造装配复杂性大幅度缩减。本研究涉及柔性折纸和刚性点阵的概念交叉，通过结构设计实现变形与承载功能融化，在可展卫星、变体飞行器、可重构机器人等领域有潜在应用前景。
图3. 4D打印Ori-lattice可展点阵结构自主展开过程
图4. Ori-lattice可展点阵结构承载性能测试与性能对比
通讯作者：北京理工大学赵则昂副教授，张啸雨研究员，雷红帅教授
原文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202524106
