北理工方岱寧院士、宋維力、陳浩森團隊在折紙剪紙結(jié)構(gòu)與器件領(lǐng)域取得進展
? ? 2020年1月27日，國際頂級材料期刊《先進功能材料》Adv. Funct. Mater. 2020, 1909087（期刊IF=15.621）以“Active reconfigurable tristable square-twist origami“為題在線報道了北京理工大學先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院方岱寧院士、宋維力、陳浩森團隊在多穩(wěn)態(tài)折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用方面的進展。
? ? 折紙結(jié)構(gòu)在許多科學工程領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，如可重構(gòu)超材料和機器人等領(lǐng)域。為了獲得獨特的可重構(gòu)特征，折紙結(jié)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)特性成為科學工程界的研究熱點。該課題組利用經(jīng)典的Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)展示了一種多材料3D打印的三穩(wěn)態(tài)折紙結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控異質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)的材料特性和幾何參數(shù)，改變折紙結(jié)構(gòu)折疊勢能變化，建立了在Square-Twist折紙構(gòu)型中獲得多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理。在熱激勵條件下，可變形結(jié)構(gòu)紙面區(qū)域剛度快速大幅度降低，導致結(jié)構(gòu)紙面區(qū)域彎曲自由度增加，從而允許通過釋放彈性折痕區(qū)域中預存能量來實現(xiàn)自展開。利用這種獨特的特征和設(shè)計原理，設(shè)計并制作了具有五種不同工作模式的頻率可重構(gòu)折紙?zhí)炀€原型，具有可編程多輸入多輸出通信系統(tǒng)應(yīng)用，旨在大幅提高信道容量和通信可靠性。這些發(fā)現(xiàn)和結(jié)果為推進主動折紙結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了設(shè)計原理和方法。
? ? 該研究團隊發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)根據(jù)可折疊的定理判斷具有16種折疊方法但只有四種獨立的構(gòu)型，并發(fā)現(xiàn)按照其中兩種折疊路徑條件下會形成穩(wěn)定狀態(tài)如圖1a所示。研究者利用多材料3D打印方式制備該結(jié)構(gòu)（折痕區(qū)域和紙面區(qū)域分別采用模量較低和較高的類橡膠與類樹脂材料），使得該結(jié)構(gòu)通過改變折疊方式具有三種穩(wěn)態(tài)，并利用實驗證明了其穩(wěn)態(tài)的存在如圖1b所示。通過前人的研究可知，紙面與折痕材料的模量比的不同，會引發(fā)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)量改變。對于聚合物材料體系熱激勵將引起材料模量數(shù)量級的變化，使得多材料打印的Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)可以發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1c所示。對于不同初始溫度的條件下，結(jié)構(gòu)的自展開溫度不發(fā)生變化，可以說明結(jié)構(gòu)確實是由于紙面剛度的變化起主要作用如圖1d所示。兩種穩(wěn)態(tài)的構(gòu)型折疊與溫升展開勢能曲線示意圖如圖1e所示。 在圖2中，通過巧妙的設(shè)計了兩種加載路徑，利用有限元方法分析了Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)機械折疊和其熱激勵自展開過程的應(yīng)變能變化，可以明顯的看出穩(wěn)態(tài)的存在及自展開過程能量的快速變化。研究者對Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)多穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的影響進行了有限元分析和實驗驗證，對于具有三穩(wěn)態(tài)的典型幾何尺寸結(jié)構(gòu)還進行了自展開溫度的研究如圖3所示。
? ? 該課題組將結(jié)構(gòu)特殊的多穩(wěn)態(tài)性質(zhì)用于制備頻率可重構(gòu)天線，如圖4所示，通過增加輻射貼片，使結(jié)構(gòu)變?yōu)榉菍ΨQ結(jié)構(gòu)，則折紙?zhí)炀€結(jié)構(gòu)會有五種不同構(gòu)型（天線的電長度會有五種變化）。折紙?zhí)炀€的五種工作狀態(tài)分別對應(yīng)的電流分布和工作頻點回波損耗的有限元仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比也在圖4中進行了展示。該文中實現(xiàn)了一部Square-Twist折紙?zhí)炀€可以代替五部傳統(tǒng)的天線功能，并展望了其在5G的關(guān)鍵技術(shù)大規(guī)模的多輸入多輸出系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用。
圖1.（a）多材料3D打印Square-twist結(jié)構(gòu)的四個典型可折疊折痕圖案，其峰折痕為紅色，而谷折痕為藍色，其中模式I和II為穩(wěn)定狀態(tài)，而模式III和IV為不穩(wěn)定狀態(tài)。（比例尺為10mm） （b）對具有穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變模式I和II 進行單軸拉伸力學測試，并用插圖說明了實驗過程。 （c）在60℃水?。囟染鶆虻沫h(huán)境）中，對Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)態(tài)的模式I和II進行熱驅(qū)動自展開，使結(jié)構(gòu)在模式I和II折疊條件下可以快速轉(zhuǎn)變?yōu)槌跏嘉凑郫B狀態(tài)。（比例尺為10mm） （d）兩種轉(zhuǎn)變模式在不同初始溫度下的自展開行為實驗結(jié)果。 （e）Square-Twist三穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程的勢能曲線示意圖。粉色實線表示室溫下的機械折疊過程，灰色點線表示熱驅(qū)動的自展開變形過程。黃星（轉(zhuǎn)換模式I）和綠星（轉(zhuǎn)換模式II）為各種穩(wěn)定狀態(tài)的勢能變化關(guān)鍵點。
圖2.（a）典型Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)的代表性幾何參數(shù)。 參數(shù)h1，h2，h3和w分別表示Square-Twist結(jié)構(gòu)的中心方形邊長，外緣方形邊長，折痕區(qū)域?qū)挾燃昂穸取?（b）Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)I型和II型轉(zhuǎn)換模式的典型區(qū)域（平面和折痕）應(yīng)變圖。 （c）和（d）表示了折紙結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能有限元分析結(jié)果，包括從初始平面狀態(tài)到I和II轉(zhuǎn)變模式的機械折疊過程，以及熱激勵自展開過程。
圖3.（a）Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)的有限元分析應(yīng)變能歸一化結(jié)果，其中值δ= 0表示初始應(yīng)變能狀態(tài)，δ= 0?1表示不同幾何參數(shù)條件下模式I或模式II的應(yīng)變能狀態(tài)。模式I和模式II的重疊區(qū)域即表示該幾何參數(shù)條件下結(jié)構(gòu)存在三穩(wěn)態(tài)。 （b）基于有限元分析考慮變量h3 / h1，h2 / h1和w對Square-Twist結(jié)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)進行實驗驗證；（單穩(wěn)態(tài)（菱形）-存在平面狀態(tài)；雙穩(wěn)態(tài)（三角形）- 既存在平坦狀態(tài)又存在轉(zhuǎn)換模式I或者II；三穩(wěn)態(tài)（六角星）- 存在平坦狀態(tài)及轉(zhuǎn)換模式I和II）。 （c）Square-Twist折紙結(jié)構(gòu)在具有三穩(wěn)態(tài)的幾何參數(shù)條件下轉(zhuǎn)換模式I和II的熱驅(qū)動自折疊行為實驗，其中實驗點表示從室溫加熱到自展開行為的臨界溫度。
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? ? 此外，該團隊近期還在折紙剪紙結(jié)構(gòu)能量存儲領(lǐng)域取得進展：（1）扭曲折紙剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計引導機械能存儲（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 3450?3458；第一作者為北理工先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院博士生王蒞辰）：將Square-twist構(gòu)型與Miura-ori構(gòu)型組合再結(jié)合剪紙思想設(shè)計了四種組合折紙剪紙構(gòu)型。對于Square-twist結(jié)構(gòu)折疊和溫升自展開整個過程，可以與電池儲能與釋放的過程相類比，不同的是結(jié)構(gòu)儲存的是機械能，單元結(jié)構(gòu)可以存儲能源約為2.5 × 10?4 J。（2）適用于柔性可變形鋰離子電池的定制化剪紙結(jié)構(gòu)電極（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 780?788；第一作者為北京大學工學院博士生鮑垠樺）：結(jié)合普適性的高粘度墨水和可定制化的PDMS軟模板制備了自支撐可變形的剪紙形電極。該電極具有優(yōu)越的機械穩(wěn)定性（超過500圈的循環(huán)拉伸次數(shù)）和穩(wěn)定的電阻性能。有限元結(jié)果表明，柔性可拉伸剪紙電極結(jié)構(gòu)能有效低緩解拉伸/彎曲過程的應(yīng)力集中。經(jīng)過500圈拉伸循環(huán)后的電極，并且組裝成全電池后充放電循環(huán)100周后仍然保持94.5mAhg-1 (0.3C)。
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相關(guān)論文鏈接：
[1] Li-Chen Wang, Wei-Li Song,* Ya-Jing Zhang, Mei-Jun Qu, Zeang Zhao, Mingji Chen,? Yazheng Yang, Haosen Chen,* Daining Fang.* Active Reconfigurable Tristable Square‐Twist Origami. Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 201909087.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201909087
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[2] Li-Chen Wang, Wei-Li Song,* Daining Fang.* Twistable Origami and Kirigami: from Structure-Guided Smartness to Mechanical Energy Storage. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 3450?3458.
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b17776.
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[3] Yinhua Bao, Guangqi Hong, Ya Chen, Jian Chen, Haosen Chen,*, Wei-Li Song,* Daining Fang.* Customized Kirigami Electrodes for Flexible and Deformable Lithium-Ion Batteries. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 780?788.
論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.9b18232
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