区别于现有的双稳态单元设计，研究团队使用具备统一拓扑图案的基本剪纸胞元，通过参数控制泊松比特性，结合多种阵列组合方式，得到了具备多模式变形功能的双稳态剪纸单元，其分别表现为负、正泊松比，及平面拉伸驱动的弯曲、剪切变形。研究还提出了一种基于磁铁基本模块的可以快速拆卸和重新组装的单元设计，将剪纸单元的最小构成胞元向构建块层级转移，可以实现多种单元之间的快速切换重组，如图1和视频1所示。
图1 二维多模式变形剪纸单元模块化设计
视频1 具备不同泊松比模块组合实现的多种变形模式
本文开发的剪纸拓扑图案融合了正负泊松比的机构学元素，同时结合了基于几何不兼容性的双稳态设计。剪纸单元通过几何参数调节实现了两种机构运动的互竞效果，使结构整体变形可以分别趋向于负泊松比或正泊松比，如图2所示。文章通过建立运动学模型，进一步分析了轴向运动剪纸单元的泊松比调节过程，并将运动、变形过程与稳态特性进行了解耦设计，使具备不同变形特征的剪纸单元能够保持相同的能量势垒。
图2 参数控制的泊松比及响应特性
团队进一步拓宽了剪纸结构的平面变形功能。研究发现，结构产生弯曲或剪切变形模式可以通过在单元内部不同位置配置差异化的泊松比实现，见图3中的计算结果。此时无需施加弯矩或剪力，仅通过结构在拉伸载荷下的不均匀变形，即可实现平面多模式运动效果，同时依然保持双稳态特性。
图3 拉伸驱动的弯曲/剪切变形模式
视频2和图4中展示了这种平面剪纸单元经过卯榫设计的十字连接，具备单自由度驱动的空间多模式运动功能。轴向、弯曲及剪切变形的双稳态单元可以任意组合，极大拓展了剪纸结构的三维空间耦合模式，同时简化驱动需求，为剪纸结构在驱动器和机器人设计中提供了新的选择。将其应用于像素机械超材料的构建中，可以实现机械像素的水平运动，结合像素的高度、扭转角度特征，丰富了机械信息编码的加密模式。
视频2 拉伸驱动的空间弯曲/剪切运动变形
图4 基于三维剪纸单元的像素机械超材料
此外，模块化设计被引入空间剪纸单元后，即可实现三维剪纸结构的快速装配重组。图5中展示了具有不同变形模式的单元任意连接方式，不仅可以用于特定驱动下的可编程运动输出，而且能够在三维空间内产生出超越泊松比效应的各向异性变形耦合。模块化的三维剪纸单元还可以组合为多种非周期性结构，从初始闭合状态切换成第二稳态后完成目标形貌拟合，在变形状态下，引入外部干扰后无需能量实现自保持，具备优越的鲁棒性。
综上所述，本研究提出了一种统一拓扑剪纸实现了可编程双稳态性能，通过参数控制和平面内组合方式实现了剪纸单元跨越正负的泊松比和多模式变形。将二维平面单元拓展至三维空间后，不仅实现了拉伸驱动的多种运动形式，还得到了模块化的具备空间耦合变形的超材料结构，及具备形状拟合功能的可展开构型。这项研究为剪纸结构在模块化可编程的柔性驱动器、软体机器人以及空间可展结构逆向设计等领域提供了新的思路。
论文信息：
Yin YQ, Li B, Hu YZ, Yu Y, Zhang YP, Liu XF, Bai RY, Chen GM. A unified cut topology that endows programmable bistability in modular kirigami morphing structures, Cell Reports Physical Science (2024).
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102335
