主动折纸作为一种能够响应外部刺激改变形状和性质的折纸结构，近年来在各个领域展现出巨大的应用潜力。然而，现有研究主要集中在聚合物基刺激响应材料，由于材料本身刚度低，机械性能较差，限制了其在工程应用中的探索。目前，基于聚合物基刺激响应材料的主动折纸，由于其材料本身刚度低，机械性能较差，限制了其在工程应用中的探索。4D 打印技术为构建主动折纸提供了新的解决方案，但现有研究主要集中在聚合物基材料，缺乏足够的强度。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由南方科技大学系统设计与智能制造学院研究团队完成有关4D 打印高强度自锁式 Miura-ori 复合材料的研究成果。该研究提出了一种基于 4D 打印技术的连续纤维增强型自锁定Miura-ori折纸复合材料（SLMO）的设计与制造方法，该材料具有优异的能量吸收能力和循环性能，在可变形机器人、自适应服装等领域具有广阔的应用前景。论文标题为“4D printed continuous fiber-reinforced self-locking Miura-ori composites with high energy absorption and cyclability”。
该研究通过 4D 打印技术，设计并制造了一种新型三维自锁Miura-ori折纸（SLMO）复合材料，该材料在能量吸收和循环性方面表现出色。SLMO 结构由Miura-ori折纸单元和高度可拉伸的底部阻挡板组成，Miura-ori折纸单元在外部刺激和阻挡板约束下主动变形并锁定到预定的配置中。通过优化设计参数，SLMO 结构可以承受超过 10 个循环的 50% 压缩应变，在能量吸收方面具有巨大潜力，为高能量吸收材料的开发和应用提供了新的思路。
图1 连续纤维增强Miura ori复合材料的制造过程：（a）打印过程；（b） 3D打印机的复合共挤出喷嘴；（c） 折纸铰链设计示意图。
该研究采用材料挤出（MEX）基于 4D 打印技术，成功制造了连续纤维增强形状记忆聚合物（CF-SMP）复合材料，并设计了一种新型三维自锁Miura-ori折纸（SLMO）结构。
图2 Miura-ori的晶胞：（a）-Miura-ori晶胞，其几何结构可以用边长为a、b、角度为φ的平行四边形来描述；（b） 折纸板材；（c） Miura-ori复合材料纤维路径空间布局视图和（d）垂直视图。
SLMO 结构由Miura-ori折纸单元和高度可拉伸的底部阻挡板组成，Miura-ori折纸单元在外部刺激和阻挡板约束下主动变形并锁定到预定的配置中。研究人员通过动态力学分析、单轴拉伸测试、单轴压缩测试和循环能量吸收测试，评估了材料的力学性能和结构性能。
图3 Miura ori装置的编程和受限恢复过程。比例尺，10毫米。
此外，研究人员还建立了理论模型来分析 SLMO 结构的变形行为，并创建了区分推拉变形模式和屈曲变形模式的设计图，以指导 SLMO 结构的设计。
图4 SLMO结构的变形机制：（a）SLMO结构在压缩载荷下的推拉变形模式示意图；（b） 结构剖面图；（c） 结构的受力分析；（d） 几何形状和变形的高度变化
该研究成功证明了连续纤维增强形状记忆聚合物（CF-SMP）在提高材料力学性能和形状恢复性能方面的优势，并成功设计并制造了新型三维自锁Miura-ori折纸结构，该结构在能量吸收和循环性方面表现出色。
图5 SLMO结构的循环能量吸收行为：（a）循环压缩结果和（b）SLMO结构在50%压缩应变下的比吸能；（c） SLMO结构在循环压缩测试后的快照。比例尺，10毫米。
Miura-ori折纸单元和底部阻挡板的组合使 SLMO 结构在压缩下表现出推拉变形模式，从而提高了能量吸收能力。此外，纤维路径、厚度和展开角度对 SLMO 结构的压缩行为有显著影响，研究人员创建了区分推拉变形模式和屈曲变形模式的设计图，以指导 SLMO 结构的设计。
图6 用于区分从推拉到屈曲变形模式的几何参数空间。三角形和星形分别表示具有屈曲模式和推拉模式的SLMO结构，黑色虚线是这两种模式之间的边界。
实验结果表明，SLMO 结构表现出优异的力学循环性，在第十次压缩循环中仍具有较高的比吸能（SEA）。与其他细胞结构或米谷折纸结构相比，SLMO 结构在吸能性、变形性、相对密度、制造简单性、循环性和可折叠性方面具有优势，为高能量吸收材料的开发和应用提供了新的思路。
图7 SLMO结构与通过不同工艺制造的其他蜂窝或Miura-ori结构之间的SEA、变形性、相对密度、制造简单性、循环性和可折叠性的比较。
这项研究提出了一种基于 4D 打印的连续纤维增强型自锁Miura-ori复合材料，克服了现有主动折纸机械性能差的缺点，并通过引入底部限位板实现了精确的形状控制。SLMO 结构具有高强度、高能量吸收、可折叠性和可控性等优点，在能量吸收、机器人、可穿戴设备和建筑等领域具有广阔的应用前景。这项研究为构建高性能的主动折纸开辟了新的道路，并有望在未来的工程应用中发挥重要作用。
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