今天
小編一如既往地在實(shí)驗(yàn)室帶薪摸魚(yú)
沒(méi)想到
導(dǎo)師突然過(guò)來(lái)查崗
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當(dāng)導(dǎo)師懷疑的目光移向我手中的
白紙和剪刀……
我急急急急中生智解釋道:
冤……冤枉啊!
我這是在研制一款絕妙的機(jī)械手!
不信您看——
實(shí)驗(yàn)器材
紙、小物件(例如小橘子、乒乓球)、筆、剪刀、裁紙刀、所標(biāo)杯
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實(shí)驗(yàn)步驟
從打印紙上剪下一個(gè)正方形,將其沿中線對(duì)折兩次,得到一個(gè)四層厚的小正方形備用。

在正方形上繪制裁剪圖案。繪制時(shí)需注意,必須讓正方形的開(kāi)口側(cè)朝外。

所畫(huà)圖案的示意圖如下所示。圖案本身需設(shè)計(jì)為上下、左右皆對(duì)稱的鏡面結(jié)構(gòu),其對(duì)稱精度是決定實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。
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第三步:
用剪刀沿所畫(huà)圖案外部輪廓剪開(kāi)。


用裁紙刀裁開(kāi)內(nèi)部畫(huà)線,注意不要裁斷外緣。使用裁紙刀時(shí)建議墊上切割墊,兒童操作請(qǐng)?jiān)诔扇酥笇?dǎo)下進(jìn)行。

第四步:
輕輕展開(kāi)剪好的形狀,壓平折痕并且調(diào)整紙的彎曲方向,使其呈現(xiàn)自然的抓取姿態(tài)。

第五步:
抓剪紙機(jī)械手的兩端,輕輕向外拉伸,使其環(huán)抱并提起一個(gè)小物件(如小橘子或乒乓球)。我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)看似單薄的結(jié)構(gòu),卻能穩(wěn)穩(wěn)抓起物體,展現(xiàn)出遠(yuǎn)超其外觀的承載力,其力學(xué)性能在特定幾何結(jié)構(gòu)下得到了充分體現(xiàn)。

即使是簡(jiǎn)化版本,也能成功抓取并提起較輕物體。

原理解說(shuō)
剪紙藝術(shù),作為中國(guó)最古老的民間藝術(shù)之一,可以通過(guò)切割來(lái)引導(dǎo)二維到三維的變形。
紙張上特定的切口破壞了平面的穩(wěn)定性,使得紙張可以擺脫完美小學(xué)二年級(jí)學(xué)過(guò)的“高斯絕妙定理”的限制。當(dāng)你拉伸它時(shí),原本二維平面的紙張為了釋放應(yīng)力,被迫向三維空間屈曲,可以變成三維的抓取形態(tài)。
這個(gè)我們?cè)诩依镉靡粡埣埦湍軓?fù)刻的剪紙機(jī)械手,其實(shí)靈感來(lái)源于科學(xué)家們的前沿研究。
近年,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),一張簡(jiǎn)單的有特定切口的四瓣花形紙片可以作為一個(gè)柔軟又靈活的仿生機(jī)械手,可以像人手一樣實(shí)現(xiàn)不同的抓握姿態(tài)。
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四瓣花形剪紙機(jī)械手 | 來(lái)源:Sci. Robot.6,eabd6426 (2021).
這種剪紙機(jī)械手可以靈活地抓取各種大小形狀各異的物品。由于紙張的柔軟特性,它可以溫柔無(wú)傷地抓取嬌嫩的覆盆子果實(shí)。它還可以抓取微小的藥片甚至沙粒。

剪紙機(jī)械手抓取各種物品 | 來(lái)源: Sci. Robot.6,eabd6426 (2021).
由于制作成本極低,剪紙機(jī)械手很容易批量生產(chǎn)。還可以串聯(lián)或者并聯(lián)多個(gè)抓取單元,它們能夠抓取細(xì)長(zhǎng)物體或同時(shí)操控多個(gè)目標(biāo)。

串聯(lián)/并聯(lián)的剪紙機(jī)械手 | 來(lái)源: Sci. Robot.6,eabd6426 (2021).
后來(lái),其他科學(xué)家團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)出了升級(jí)版的可編程的機(jī)械手,可以通過(guò)裁剪特定形狀的紙片,可以精準(zhǔn)控制機(jī)械手的抓取動(dòng)作。
根據(jù)小學(xué)三年級(jí)學(xué)到的高斯-博內(nèi)定理,可以通過(guò)設(shè)計(jì)邊界曲率(比如圓形紙片)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)三維彎曲形態(tài)的高斯曲率。
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升級(jí)版機(jī)械手 | 來(lái)源: Nat Commun13, 530 (2022).
根據(jù)這種可編程形態(tài)學(xué),科學(xué)家們用剪紙?jiān)O(shè)計(jì)了一款捕蠅草形狀的精密無(wú)創(chuàng)手術(shù)用機(jī)械手。
這種機(jī)械手可以超輕柔地包裹目標(biāo)物而不產(chǎn)生擠壓,適用于無(wú)損抓取脆弱的生物體,比如嬌嫩的生雞蛋黃。它不僅有貼合性和自適應(yīng)性,機(jī)械強(qiáng)度也很高,可以抓起超過(guò)自身重量1000倍的物體,比如砝碼。

機(jī)械手抓取嬌嫩的生雞蛋黃 | 來(lái)源: Nat Commun13, 530 (2022).

機(jī)械手 捕捉活魚(yú) | 來(lái)源 : Nat Commun13, 530 (2022).

機(jī)械手 抓起砝碼 | 來(lái)源 : Nat Commun13, 530 (2022).
剪紙藝術(shù)在科學(xué)中的應(yīng)用非常豐富,不僅限于制作機(jī)械手。在剪紙機(jī)械手出現(xiàn)之前,剪紙藝術(shù)很早就被科學(xué)家玩出各種花樣了。比如,科學(xué)家們還嘗試用剪紙結(jié)構(gòu)仿蛇皮制作過(guò)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整摩擦力的鞋底:

可以動(dòng)態(tài)調(diào)整摩擦力的鞋底 | 來(lái)源:
Nat Biomed Eng4, 778–786 (2020).
甚至還有納米剪紙科學(xué)。比如利用納米精度的剪紙結(jié)構(gòu),可以制作具有光學(xué)手征性的超材料,用于生物分子識(shí)別、偏振顯示、光通信等方面。
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具有光學(xué)手征性的納米剪紙 | 來(lái)源:Sci. Adv.4,eaat4436(2018).
又比如,科學(xué)家們最近還利用剪紙-折紙協(xié)同設(shè)計(jì),研制出可以智能調(diào)控的雷達(dá)隱身超材料:
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雷達(dá)隱身超材料 | 來(lái)源:Adv. Funct. Mater. (2025): e15206.
從古老的窗花到前沿的柔性電子,從微納尺度的光子器件到宏觀的航空航天,剪紙不僅是一種裝飾藝術(shù),還是一種結(jié)構(gòu)科學(xué)。通過(guò)巧妙的幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),普通的小紙片,也能擁有非凡的超能力。
同學(xué)們不妨將目光收回到手中的剪刀和小紙片上,嘗試設(shè)計(jì)一款屬于自己的獨(dú)特的剪紙機(jī)械手(比如調(diào)整紙片的形狀、切口的形狀等)或者其他的剪紙結(jié)構(gòu)。沒(méi)準(zhǔn)下一個(gè)劃時(shí)代的剪紙黑科技,就誕生在你的書(shū)桌上!

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