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       近几十年来，折纸艺术已被用于工程结构设计。这些结构涵盖多个尺度，并已在航空航天、超材料、生物医学、机器人和建筑等领域得到应用。传统的折纸结构通常通过手动、电机或气动执行器来驱动。然而，这种方法往往造成结构笨重或庞大。智能材料能够响应如温度、湿度、光照、磁场等外部刺激而发生变形，因此近年来得到了迅速发展。同时，将智能材料与折纸技术相结合已在轻量、可编程、可远程激励的可展开结构领域显示出巨大潜力。

       最近，斯坦福大学的赵芮可教授团队和佐治亚理工学院的齐航教授团队撰写了题为《Active Materials for Functional Origami》的综述文章，总结了关于智能材料在功能性折纸术领域应用的最新研究进展。这篇综述涉及材料科学、力学、结构设计等多个领域，详细介绍了不同的折纸机制、智能材料的驱动机制与其在智能折纸中的应用实例、以及智能折纸的制造方法和理论框架，并展望了智能折纸的未来研究方向与挑战。该综述文章作者包括本科生Sophie Leanza（即将入学斯坦福大学直博），斯坦福大学的博士生吴帅和佐治亚理工学院的博士后孙晓昊。该综述文章在线发表于《Advanced Materials》杂志。

 高分子与折纸的结合

通过利用智能材料，如形状记忆聚合物（Shape Memory Polymers，简称SMPs）和合金（Shape Memory Alloys，简称SMAs）、水凝胶（Hydrogels）、液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomers，简称LCEs）、磁性软材料（Magnetic Soft Materials，简称MSMs）和共价适应性网络聚合物（Covalent Adaptable Network polymer，简称CAN polymers），传统的折纸技术已经发展到智能折纸。由于高分子在智能折纸中的应用更多，综述文章深入探讨了这些高分子材料的工作机制，广泛总结了其性能细节，如材料的驱动速度和刚度，以及如何利用这些智能材料创建具有功能性的折纸结构（图1）。

图1 传统折纸、工程折纸和智能折纸介绍。

形状记忆聚合物（SMPs）是一种具有转变温度的网络聚合物（图2）。形状记忆循环通常包含两个步骤：在编程步骤中，SMP加热到转变温度以上而变得柔软而可变形（模量通常为MPa级别），当保持形变并将温度降低到转变温度以下时，SMP的形状可被“冻结”为临时形状（模量通常为GPa级别）；在恢复步骤中，SMP重新加热到转变温度以上，此时聚合物链重新变得活跃，并在熵驱下恢复到其永久形状。通过设计铰链，SMP智能折纸可以在光照或者加热情况下完成单向与双向折叠，并实现了盒子、金字塔等折纸结构。利用不同转变温度的SMP设计铰链，智能折纸实现了顺序自折叠和自锁定结构。值得注意的是，对于大多数SMP变形是一种单向过程。通过SMP 与水凝胶或者磁性颗粒结合，智能折纸可以实现可逆折叠与展开。

图2 形状记忆聚合物机理与智能折纸介绍。

水凝胶（Hydrogels）是一种能够吸收大量水分的网络聚合物（图3）。在热量、pH变化、离子强度和光线等刺激下，水凝胶能够通过吸收或排出水分子而表现出宏观变形。由于水分子扩散速度的限制，水凝胶的驱动过程可能在分钟到几个小时之间。水凝胶具有与生物材料和组织相当的低弹性模量（几kPa到几百kPa之间），并且有较好的生物相容性，使其在生物医学应用中得到广泛使用。水凝胶的膨胀通常是各向同性的，因此为了实现更复杂的水凝胶智能折纸变形，需要使用不同的策略：改变交联密度、孔隙度梯度或使用具有不同膨胀能力的多层材料。水凝胶智能折纸结构中，不同层对外部刺激的反应不同，从而导致不同层之间的应变不同，产生类似于折纸中的铰链的方向性弯曲，从而创造出复杂的三维形状和结构。

图3 水凝胶机理与智能折纸介绍。

液晶弹性体（LCEs）是由液晶分子（也称为介晶分子）和聚合物链通过共价键结合形成弹性网络（图4）。当这些材料受到外部刺激（如温度或光）时，其中的液晶分子会重新排列，导致LCE在其取向方向上发生收缩。这种驱动或激活过程可以非常迅速，通常在几秒的时间内完成。LCE的刚度及其产生的驱动应力可以在较大的范围内变化（从数百kPa到几MPa）。由于LCE能够在受到激励时产生大的可逆形变，因此它们被视为一种具有潜力的人工肌肉材料。在制作智能折纸结构时，LCEs表现出巨大的潜力。通过引入复杂的LCE取向分布，可以使平面材料通过折叠转变为三维形状。此外，可以选择性地在折纸结构中添加LCE纤维，这些纤维在受到外部刺激（如加热）时提供驱动力，产生铰链折叠。这种技术为制造复杂的可变形结构和折纸机器人提供了可能性。

图4 液晶弹性体机理与智能折纸介绍。

磁性软材料（MSMs）能在外加磁场作用下实现快速、可逆和远程控制的形变（图5）。MSM中不同类型的磁性填料，具有铁磁（软磁或硬磁）或超顺磁性质，在磁场下的表现不同。磁性填料可以与橡胶或SMP、LCE、水凝胶、动态聚合物等功能性智能基质结合。由于MSMs可以基于多种材料，它们的刚度和驱动应力因此各不相同。此外，MSMs可以快速驱动，从几十微秒到几秒不等。其中，硬磁MSM在可编程性和控制精度方面具有优势，在智能折纸系统中具有广泛的应用潜力。当硬磁性粒子的磁化方向与施加的磁场不一致时，微扭矩作用于硬磁性粒子。这些微扭矩被传递到软基质，导致在磁场下发生形变，实现智能折纸复杂的形状重构，用于软机器人、超材料等应用。

图5 磁性软材料机理与智能折纸介绍。

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