“百變”剪紙: Nat. Mater. + Sci. Adv.

在自然界中，形態的瞬間變化往往關乎生存。例如，捕蠅草能在 0.1 秒內合攏葉片捕捉獵物，貍藻則以毫秒級速度爆裂氣泡吸入昆蟲。這些高速動作源于生物體內儲存的彈性能量，在外界刺激下瞬間釋放，觸發“彈躍失穩”（snapping instability）—— 一種兼具快速、可逆、高效的天然機制。

受此啟發，科研人員在桿梁、折紙/剪紙、殼體等人工結構中成功實現了單穩態或雙穩態的彈躍形變，但整體仍受限于形態單一、設計空間有限與缺乏重編程能力。特別是在三維自支撐曲面中，要實現如自然界般豐富且可逆的快速形態轉變，仍是一項重大挑戰。

值得關注的是，具備多穩態與低能耗穩定性的結構，不僅能實現形態記憶與自復原，還為可重構、自適應軟體機器人帶來了全新機遇。如何在有限能量下實現精準驅動與多模態運動——如跳躍、爬行、轉彎或穿越復雜地形——已成為該領域的重要科學問題。

針對這些挑戰，美國北卡羅來納州立大學尹杰（Jie Yin）課題組提出了基于“剪–粘儲能”（cut-and-paste energy storage）的創新方法，用以構建具有可編程與可重編程特性的多穩態結構。該方法具有高度普適性，可適用于桿梁、條帶、折紙、剪紙及殼體等多種體系。

基于這一思路，團隊首先提出了一種由多條細帶組成的燈籠狀多穩態帶簇超材料單元（lantern-shaped ribbon-cluster meta-unit）。該結構在組裝過程中通過帶條的彎曲與扭轉儲存彈性能，從而實現了前所未有的多穩態可編程彈躍形變（snapping morphogenesis）。研究表明，單個單元即可在邊界翻轉、拉伸或扭轉載荷下展現超過十三種三維彈躍形態，并能在單穩態、雙穩態、三穩態甚至四穩態之間自由切換。該成果以“Reprogrammable snapping morphogenesis in ribbon-cluster meta-units using stored elastic energy”為題發表在Nature Materials上，論文第一作者為洪堯燁（Yaoye Hong）博士。

進一步地，團隊在殼單元體系中發展出多穩態可展薄殼超結構（multistable developable shell metastructure），能夠在無需外部鎖定力的情況下，僅通過簡單的拉伸與壓縮自由切換超過20種穩定形態。研究還提出了“動態虛擬折線（dynamic virtual crease）”的新概念，揭示了多穩態轉變的內在力學機理。由于具備低能壘與多穩定特性，這類薄殼結構非常適合與多種驅動機制結合。

研究團隊將其與磁場驅動與電驅柔性薄膜相結合，構建出一系列具有多響應特性、自適應能力的“超構機器人”（metabot）。其中包括：一種能夠在磁場下實現多步態跳躍與爬行的自適應磁驅動機器人；以及一種能在磁場與電刺激下自主轉向、爬行的雙響應可重構軟體機器人。這些機器人可根據環境實時調整體態，實現跨越障礙、穿越狹縫等復雜運動，展現出卓越的靈活性與能效。相關成果以“Multistable thin-shell metastructures for multiresponsive reconfigurable metabots”為題發表在Science Advances上，論文第一作者為博士生周才植（Caizhi Zhou）。

燈籠狀多穩態帶簇超材料單元

研究團隊提出了一種簡便高效的“剪與粘”制造方法（圖一）：通過激光切割，將薄片材料（如PET薄膜）裁剪成多條平行細帶，再在兩端角點處重新粘接，薄片便從平面結構“彈”成立體的燈籠狀帶簇單元。在這個過程中，通過調節二維條帶之間的夾角（第一個歐拉角 β），研究者能夠精確控制單元內部儲存的彈性能量。

當 β 較小時，結構以扭轉為主，形變平緩；而當 β 超過某個臨界值后，系統進入彎曲主導區間，觸發明顯的“彈躍”轉變。正是這種角度驅動下的能量差，使燈籠狀單元能夠在壓縮或扭轉中展現出多種可預測的三維形態，為后續的多穩態調控與功能設計奠定了基礎。

更令人驚喜的是，這種結構在成型后仍具備“重編程”能力。研究團隊發現，通過調節第二個關鍵角度——翻轉角 α，也就是翻轉單元的上下邊界方向，結構內部的能量分布可被重新配置。由此，單個單元就能在“花瓶”“沙漏”“錐體”等多種宏觀形態之間自由切換，每種形態都對應著獨特的彈躍路徑與失穩模式。這種 α 驅動下的形態重編程，使得結構具備了類似生物體“變形記憶”的特征。

在此基礎上，團隊又引入了第三個控制參數——扭轉角 γ。γ 決定了結構在不同形態間轉換所需跨越的能量屏障，也意味著它可以“指揮”彈躍的方向。當單元處于“花瓶態”時，輕微調整 γ 就可能讓結構突然跳變為緊湊的“沙漏”或旋轉收縮的“陀螺”形態。這種由 γ 主導的變形路徑進一步拓寬了結構的動態響應能力。

當 β、α 與 γ 三個歐拉角協同作用時，燈籠狀帶簇單元展現出前所未有的三維形態自由度。

其內部的彎曲—扭轉耦合機制讓結構能夠在多種潛在路徑中自動選擇最優變形路線，形成自發演化的多穩態行為。實驗與模擬表明，單個單元即可實現十三種以上穩定或多穩態形態，為未來可重構、可編程的軟體超材料和機器人提供了全新設計思路。

圖一 多穩態三維燈籠剪紙單元

燈籠剪紙應用前景：受限環境中的快速抓取與流體控制

為驗證燈籠狀帶簇超材料的可控性與應用潛力，研究團隊在單元頂部附加了磁響應彈性體，并通過外加旋轉磁場對其進行驅動，成功演示了“花苞–盛放”的可逆轉變過程 （圖二）。隨著磁場角度逐漸增加，單元在僅0.06秒內便完成了從張開的“盛放”狀態快速閉合為緊密的“花苞”球殼；當磁場反向調節時，結構又在0.04秒內重新舒展成“盛放”形態。更為重要的是，閉合后的花苞無需持續外部能量維持，能夠自持穩定。

圖二 受限環境中的應用：柔性機械抓手、流體控制閥門、受限可展結構

這種“花苞–盛放”式的動態演化被研究團隊進一步轉化為一種適用于受限環境的非侵入式抓手。在水下實驗中，研究人員展示了該結構如何快速包裹并抓取活體魚類、魚卵等柔軟而脆弱的目標。與傳統機械夾持不同，球殼式閉合的包裹方式避免了硬接觸帶來的損傷，真正實現了溫柔而高效的抓取和釋放。此外，研究團隊還將其原理拓展至流體控制。通過在單元的一端封接柔性膜片并嵌入管路，他們構建了一個可遠程驅動的軟體閥門。當結構處于“花瓶”態時，液體可自由通過；而在磁場作用下跳變為“沙漏”態時，帶簇的扭轉使內置管道產生褶皺和阻斷，瞬間完成流體關閉。釋放磁場后，結構自動恢復為初始形態，閥門重新開啟。與傳統閥門相比，這種設計不僅響應更快、結構更柔順，還能在不規則和受限空間內可靠工作，為柔性輸運系統和微創醫療器械提供了新的可能。

多穩態可展薄殼超結構

研究從一張帶有“H形”切口的PET薄片開始（圖三）。當切開的內邊緣被重新粘合在一起時，薄膜會自發彈起成對稱的三維殼體結構，內部儲存了可觀的彈性應變能。這種預存的能量賦予了它多穩態特性——可以在多個穩定形狀之間自由切換。隨著粘合距離的增大，薄膜中儲存的能量增加，穩定形態的數量也隨之迅速增長：從最初的4種，增加到多達20種。令人驚訝的是，這種薄殼單元的“形變效率”遠超現有的多穩態結構單元，是常見折紙結構的4倍以上。當多個單元相互連接時，還能組合出數百種穩定形態，為構建多功能可重構材料與機器人奠定基礎。

圖三 多穩態可展薄殼超結構變形效率以及潛在應用

簡單拉壓導致形態轉化以及折疊的“動態虛擬折線”

在實驗與仿真中，研究人員詳細揭示了這些形態轉變的過程。通過輕微的按壓或拉起殼體特定區域（如拱頂或側邊），結構會在不同形態間“跳躍”切換，而且每一種形態都能獨立保持穩定（圖四a）。這種轉變對應著材料內部能量的重新分配：當局部彎曲能量積累到臨界點時，結構就會“啪”地一聲翻轉，進入新的穩定狀態。能量圖譜的分析顯示，這些“形態躍遷”背后隱藏著類似物理勢壘的機制，決定了每種形態之間的切換難易程度。

圖四 拉壓導致多穩態形狀變化以及動態虛擬折線折疊原理

為了理解這種復雜的形變機制，研究團隊引入了一個新概念——動態虛擬折線（dynamic virtual creases）。與傳統折紙中的真實折線不同，這些“虛擬折線”是由材料內部應力分布形成的“無形折線”。當這些區域的彎曲能量集中時，就像折紙被“暗中折疊”了一樣，引發結構形態的躍遷。通過有限元仿真與可展曲面理論相結合的分析（圖四b），研究發現這些虛擬褶皺可以分為三類：I型（黃色）：位于弧邊的水平褶皺；II型（綠色）：位于四角的傾斜褶皺；III型（紫色）：位于中央的交叉褶皺。不同褶皺的激活與折疊，正是形態轉變的“控制開關”，決定了結構如何彎曲、翻轉與回彈。

應用：自適應磁驅多步態跳躍與爬行機器人

研究團隊將磁性彈性薄帶貼在關鍵觸發區域，通過外部磁場控制，實現了結構的遠程形態切換與多模態運動（圖五）。在不同磁場方向下，薄殼機器人能自由轉換八種穩定形態：翻轉、卷曲、伸展、折疊，在地面上跳躍、爬行、轉身，并能在無持續能量輸入的情況下保持形態。比如， 在“跳躍模式”下，它像跳蚤一樣迅速躍起；當切換為“爬行模式”后，它又能貼地前進。更令人驚喜的是，它能在復雜地形中自適應切換步態：遇到障礙時躍起越過，進入狹縫時又能收攏身體穿行。

圖五 自適應磁驅多步態跳躍與爬行機器人展示

應用：雙響應可重構可轉向軟體爬行機器人

團隊還進一步開發出一款能同時響應磁場與電信號的“雙響應爬行機器人”（圖六）。它由兩個多穩態單元串聯組成，中間嵌入壓電薄膜（PVDF），在交流電刺激下產生周期性彎曲，實現振動驅動。磁場的加入則能改變結構形態，讓機器人在多種構型之間自由切換：它能直行、倒退、原地旋轉、甚至自主拐彎，在“T形狹道”中自由穿行。這一設計首次實現了軟體機器人的結構重構與路徑控制統一，讓機器人不再依賴復雜機構，而是通過內部彈性能量與外場協同實現智能導航。

圖六 雙響應可重構可轉向軟體爬行機器人展示

展望：從結構到智能，開啟形變材料的新篇章

從“燈籠狀多穩態帶簇超材料”到“磁驅多模態軟體機器人”，研究團隊正逐步搭建起從形態編程到智能運動的完整體系。前者揭示了如何通過幾何參數的設計與重編程，實現三維結構在多穩態間的自由切換；后者則進一步將這種結構自由度與磁電響應材料相結合，使得機器人能夠在外場驅動下展現多種運動模式——包括自適應跳躍、變形爬行與復雜地形穿越。

這兩項研究的結合，標志著軟體機器人正從“被動形變”邁向“主動決策”的新階段。借助多穩態結構的能量景觀可編程性與磁驅動的可遠程控制性，未來的機器人有望具備更高的環境適應性與任務自主性，實現無需外部連線的自驅動、可重構、多功能運動。

展望未來，這一系列工作不僅為可重構機械超材料和自適應機器人系統提供了新的設計思路，也為柔性制造、生物仿生與智能醫療器械等領域開辟了廣闊前景。可以預見，隨著多穩態結構力學與多場耦合驅動技術的進一步融合，形變材料將從“可變形”走向“有智慧”，開啟軟體機器人和智能結構的新篇章。

論文鏈接：

Y. Hong, C. Zhou, H. Qing, Y. Chi, J. Yin, “Reprogrammable snapping morphogenesis in ribbon cluster meta-units using stored elastic energy”, Nature Materials, in press (2025)，

DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-025-02370-z

C．Zhou et al.，Multistable thin-shell metastructures for multiresponsive reconfigurable metabots. Sci. Adv. 11, eadx4359(2025).

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adx4359