今天上課沒(méi)收的“機(jī)械手”……怎么是一張紙？？？ | 正經(jīng)玩

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

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

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。

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)。

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。

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 Eng

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。

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：

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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編輯：余蔭鎧 & 王驍天