板材加工

折纸工程：智能折纸促进创新

1 月 18, 2025

本文探讨了折纸启发工程这一跨学科领域的最新发展。文章介绍了可实现不同尺寸自折叠的新材料和制造方法。应用领域包括紧凑型可部署航天器部件、软模块化机器人和可折叠医疗器械此外，还探讨了通过模拟优化复杂折叠运动的计算设计进展。讨论了通过模拟优化复杂折叠运动的计算设计进展。

受折纸启发的工程学：将金属折叠成不可能的形状

折纸是一种古老的日本折纸艺术，它启发了工程师们在各个学科中寻求新颖的紧凑折叠设计方法。通过借鉴折纸在最小空间内实现多功能的复杂性，研究人员正在开发自组装材料系统和自动化设计技术。利用折纸结构固有的可转换性，每天都有新的应用出现。这篇文章探讨了折纸启发工程学的最新进展，从实现跨尺度自折叠的智能材料，到通过模拟优化复杂运动的计算工具。尖端加工此外，还重点介绍了可部署航天器组件、软模块机器人和自折叠医疗支架等应用。

受折纸启发的制造方法：

形状记忆合金在制造自折叠结构方面非常有用，因为它们在加热时可以恢复到原来的形状。镍钛合金（如镍钛诺）尤其适用于此，因为它们会随着温度的变化而可逆地改变形状。这样就可以实现非常精确的折叠运动。虽然这些合金非常有用，但将其用于大型结构可能具有挑战性，需要优化其设计和材料特性。

其他制造方法的灵感来自折纸工程，即日本的折纸艺术。通过将薄膜置于内应力下，只需去除牺牲层，复杂的中尺度（中等大小）结构就能自我组装成卷轴、管状、多边形和其他可控形状。这种应力释放过程可使材料自行折叠成几何形状，而普通的折叠方法很难做到这一点。金属加工技术.通过了解残余应力如何导致自卷曲，工程师们可以设计出自折叠微结构，而无需复杂的设备或精确的驱动。这为不同长度尺度的自组装开辟了新的可能性。

自折技术

水滴产生的毛细力可用于折叠基于折纸启发的工程设计结构。当水滴在材料上形成时，会根据设计产生精确的变形和折叠运动。

一些活性材料也可用于自折叠。水凝胶和形状记忆聚合物可以在平面基底上产生不均匀的收缩和拉伸，使其折叠成所需的三维形状。液晶弹性体也能利用应变实现类似功能。

热激活折叠利用了随温度变化尺寸的聚合物。有些聚合物在加热时会膨胀，在冷却时会收缩，从而通过受控的加热和冷却循环实现折叠。其他聚合物则相反，遇冷膨胀，遇热收缩。

所有这些技术都利用了材料的固有特性，如表面处理通过了解不同材料如何变形和改变形状，工程师可以设计出通过简单的环境触发（如水、热或环境条件）就能自我组装的结构。通过了解不同材料如何变形和改变形状，工程师可以设计出通过简单的环境触发因素（如水、热或环境条件）进行自我组装的结构。

研究人员开发的自折叠结构：

伊奥诺夫创造了由聚乙烯醇和壳聚糖制成的水凝胶，当溶剂蒸发时，水凝胶会自动折叠成微观形状。

麻省理工学院的研究人员利用热响应电介质弹性体制造出了不受任何外部电源束缚的折纸启发工程机器人。在全球范围内加热两个聚合物-导电织物-聚合物层，可诱导精确的折叠运动。

费恩伯格开发的 "肌肉薄膜 "能从热驱动的折叠运动中获取能量，为小型设备和机器人提供动力。将层状聚合物叠层加热到玻璃化转变点以上会引起收缩，从而提供运动能力。

这些研究表明，利用图案铰链、多层系统、溶剂触发器和热致动等技术，我们有能力设计出从微观到宏观各种尺度的自成型结构，从而在无需外部机械的情况下实现可控折叠。这项开创性工作为自主折纸启发工程机器人和机器奠定了基础。

研究人员正在利用折纸的灵感设计高度紧凑的机械装置：

折纸原理可将多功能组件折叠成更小的体积，从而实现前所未有的紧凑性。这种紧凑性非常适合空间受限的应用。

荷兰和斯特劳布为火星任务开发了基于折纸的太阳能聚光器和反向反射器，使用三维打印和金属反射镜。他们的技术将光学与可折叠性精确地结合在一起，从而在发射过程中实现了紧凑的收纳。斯宾塞回顾了太阳能帆船所面临的挑战，这种帆船在发射时需要极其密集的包装。紧凑的折叠至关重要。

霍奇斯的特点是采用可展开的复合铰链，使航天器光学元件可独立折叠并适应任何存储条件，从而最大限度地提高有效载荷能力。

通过借鉴由折纸启发而产生的工程多层复杂性，工程师们可以在较小的空间内设计光机械系统、太阳能电池阵列、天线和其他有效载荷，在运行时只部署所需的部分。这种优化的紧凑性为小型化和空间利用带来了新的机遇。

受起源启发的机器人具有独特的功能：

Son 回顾了 4D 打印软折纸机器人，这些机器人采用分层多尺度设计，在启动时可折叠。这些集成结构具有多功能能力。

Park 创造了一种软折纸模块化手臂，它通过受控的弯曲来展开加固面，从而实现可变的刚度。它使用热处理成折痕图案的介电弹性体薄片来执行任务。

Yan 将折纸原理与能够感知、处理信息并通过编程折叠动作做出反应的自主机器人相结合。他们的方法简化了设计，同时通过驱动实现了复杂的行为。通过将折纸的可转换性与智能材料驱动相结合，这些软机器人展示了如何从简单的折痕基底中产生复杂的编排运动和机械特性。模块化和集成化的层次结构使得先进的能力得以在小巧轻便的包装中实现。因此，受折纸启发的工程学为建造灵活的自主系统提供了一条道路，这些系统可以折叠成所需的形式。

受折纸启发的工程学前景看好：

随着智能材料和驱动方法的进步，折纸设计将越来越多地集成这些先进技术，从而在紧凑的设计中最大限度地提高控制、精度和功能性。

三维打印和增材制造技术不断改进分辨率和材料选择，使基于折纸的系统变得更加复杂，并具有错综复杂的折痕和多材料能力。数据驱动的计算设计和模拟将有助于优化折叠运动、机械性能、多功能集成和跨尺度结构。设计自动化、艺术中的金属加工和装配工作流程，这将加速寻求可改造性、可部署性和紧凑收纳的各行各业的折纸启发工程研究和商业化。

准备受益的领域包括微型设备、生物医学技术此外，折纸还可用于空间应用、软机器人、可部署光学等领域。折纸的原理是化繁为简，作为一种强大的生物启发范例，折纸启发工程将继续激发创新。在最小体积内提高多功能性和控制性仍然是一个诱人的前景。

结论

总之，本文探讨了自折叠结构和机制的折纸启发工程方法。文章探讨了形状记忆合金和刺激响应材料（如水凝胶）如何促进从微观到宏观各种尺寸尺度的精确自折叠。会议还总结了应力控制装配和热动折叠等新兴制造方法。可部署航天器组件、模块化软机器人和微型医疗设备等应用展示了折纸在紧凑型集成设计方面的潜力。计算建模和数字制造技术正在推动基于折纸的系统优化。

总体而言，折纸原理的变革力量得到了检验--化繁为简，在最小体积内实现多功能。材料方面的持续进步、汽车金属加工折纸技术有望将这些优势发挥到极致，跨越寻求可拆卸性、模块化可转换性和密集包装的学科。随着智能材料的不断发展和计算设计工具的不断进步，从大自然折叠功能形式的精湛技艺中汲取灵感，折纸启发的工程方法将激发更多创新。