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形状转换材料（Shape morphing matter）在自然界和工程领域备受关注，其形状变化能够调节材料的性能和功能，广泛应用于自适应结构、医疗器械、可穿戴电子和软体机器人等领域。然而，当这些材料发生形变后，如何在不改变预设的材料属性或形貌的情况下，平衡结构的顺应性和刚度以实现可控的动态变化，仍然具有挑战性。
北京时间2024年12月7日，北卡罗来纳州立大学尹杰教授 ， Joseph B. Tracy 教授，和伊隆大学 Emily E. Evans教授团队提出了一种基于剪纸穹顶结构的动态磁驱动超材料 “魔毯”。此研究成果以题为“Dynamic magnetic kirigami dome metasheet with high deformability and stiffness for shape morphing and multimodal manipulation”发表在Science Advances上，展示了磁性“魔毯”在多功能形状转换和无抓取物体操纵方面的潜力。
该研究将剪裁引起的柔性与穹顶结构的形状适应性相结合，创造出一种具有高变形能力和高刚度的动态磁驱动剪纸穹顶超材料薄片。通过编程的铁磁域，剪纸薄片在静态磁场下转变为具有周期性穹顶阵列。与未切割的连续磁性穹顶相比，剪纸设计在模量降低五倍以上的情况下，实现了近两倍的穹顶高度和近两倍的结构刚度，承载和提升能力提高了四倍以上。
这种设计成功地解决了软体变形材料在高变形能力和高刚度之间的矛盾。剪纸结构引入的旋转自由度，使离散的切割面板在形变过程中更容易伸展和弯曲，增强了形状转换的灵活性。此外，更高的穹顶高度提供了更大的工作空间，有助于实现多功能性的动态形状转换和非抓取式物体操纵。
图1：具有高变形性和刚度的磁性剪纸穹顶
通过充气、磁化、放气和磁致动四个步骤，研究团队制备了单个磁性剪纸穹顶和对比的连续穹顶。实验结果显示，在相同压力和磁场下，剪纸穹顶的穹顶高度和弯曲曲率都显著高于连续穹顶。这主要归因于剪纸设计降低了杨氏模量，并引入了额外的旋转自由度，使结构在充气和磁致动过程中更容易变形。尽管具有高柔性，剪纸穹顶在磁场驱动下展示了高刚度。压痕测试结果显示，在相同的磁场下，剪纸穹顶的刚度比连续穹顶高出1.8倍。实验表明，剪纸结构与外部磁场的相互作用显著增强了刚度，体现了磁致刚度增强效应。通过调整磁化场强度和剪纸图案的切割比，剪纸穹顶的高度、刚度和负载能力可以被进一步调控。研究发现，在切割比L/d=6时，实现了高变形能力和高刚度的平衡，这为进一步的多功能性探索奠定了基础。
图2 变化方向的磁场作用下，磁性折纸穹顶实现全方位穹顶变形
磁响应软材料具有远程操控、快速响应和易于控制的特点。这使得剪纸结构穹顶在磁场驱动下实现全向多模态的形变。通过调整磁场与穹顶顶面法线之间的角度，单一磁片可以从对称穹顶形状动态转变到不对称锥形形状。基于简化的理论模型进行的数值模拟进一步预测了这些形变过程，验证了实验结果的可靠性。
利用磁致刚度增强和波状形貌的动态变化，研究团队探索了剪纸穹顶超材料薄片在远程无抓取物体操纵方面的应用。通过形变薄片与物体之间的自适应和动态相互作用，实现了对非磁性固体和液滴的多模式操纵，包括单个和多个物体线性运输和旋转运动。剪纸穹顶超材料薄片能够在自重仅1.5 g的情况下，承载超过自身重量40倍的负载，并且可以处理不同形状、材料和重量的目标物。
图3 磁性剪纸“魔毯”在无需抓取的情况下，用于远程磁性多模式操控非磁性固体微珠和水滴的应用
图 4 磁性剪纸“魔毯”在无需抓取的情况下，用于远程磁性多模式操控各种非磁性固体物体的应用
图 5 磁性剪纸“魔毯”在旋转磁体驱动下，用于远程磁性旋转操控非磁性物体且无需抓取的应用
这种创新设计为远程磁驱动的多模式无抓取物体运输提供了新的可能，特别适用于需要高变形灵活性和高力输出的操纵场景。预计这一概念将推动一系列具有高变形能力和高刚度的软体变形结构的发展，广泛应用于柔性机械超材料、形变物质、可重构软体机器人、生物流体操纵和虚拟现实触觉设备等领域。
Magnetic kirigami dome metasheet with high deformability and stiffness for adaptive dynamic shape-shifting and multimodal manipulation
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adr8421
团队介绍
尹杰团队(https://jieyin.wordpress.ncsu.edu/)目前致力于力学、智能材料以及智能结构在软体机器人、机械超材料、以及多功能形变节能材料上的基础以及应用研究。近期代表性原创成果包括：
软机器人方向：
自主智能软机器人 (Qi et al., PNAS, 121, e2312680121, 2024; Zhao et al., Sci. Adv., 9, eadi3254, 2023; Zhao et al., PNAS, 119, e2200265119, 2022; Zhao et al., Adv. Mater. 202207372, 2022);
3D打印形状记忆迷你液压软驱动器（Qing et al., Adv. Mater., 2402517, 2024）;
无损伤剪纸机械手(Hong et al., Nat. Commun. 14, 4625, 2023);
快速高效蝶泳软机器人(Chi et al., Sci. Adv., 8, eadd3788, 2022);
仿猎豹奔腾软机器人(Tang et al., Sci. Adv., 6, eaaz6912, 2020);
机械超材料方向：
可重构机械计算超结构（Li et al., Sci. Adv., 10, eado6476, 2024）;
三维形变剪纸（Hong et al., Nat. Commun. 13, 530, 2022）；
三维立体模块剪纸超材料（Li et al., Adv. Funct. Mater., 2105461, 2021; Li et al., Mater. Today Phys., 100511, 2021）;
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