盖世汽车讯 蜂窝状固体是由很多小巢室挤在一起组成的材料，如挤在蜂窝里。此类小巢室的形状在很多程度上可以决定材料的机械性能，包括刚度或强度。例如，骨头里面填充了一种天然材料，使其能够很轻，但又很坚固。

MIT采用剪纸技术研发轻质强固材料（图片来源：MIT）

受骨骼以及自然界中其他蜂窝状固体材料的启发，人类也采用了相同的概念来研发建筑材料。通过改变组成此类材料的小单元的几何形状，研究人员可以定制材料的机械、热或声学性能。此类建筑材料可用于很多应用领域，如减震包装泡沫、热调节散热器等。

据外媒报道，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员采用了日本古老的折叠剪纸技术kirigami，制造出一种称为板晶格的高性能建筑材料，其尺寸比之前利用增材制造技术制造的材料要大得多。该项技术可让研究人员们利用金属或者其他具有定制形状以及机械性能的材料来制造此类结构。

MIT比特与原子（CBA）中心负责人Neil Gershenfeld教授表示：“该材料就像钢制软木，比软木更轻，但是强度和刚度都很高。”

研究人员研发了一种模块化建造工艺，许多较小的部件利用该工艺成型、被折叠，并组装成3D形状。采用该方法，他们制造出超轻、超强的结构以及在特定载荷下，可变形并保持形状的机器人。

因为此类结构重量轻，但很坚固、坚硬，且相对于更容易实现大规模生产，因此在建筑、飞机、汽车或航空航天部件的生产中特别有用。

折叠制造

晶格等建筑材料通常被用作三明治结构复合材料的核心。想象三明治结构就可以想象一个飞机机翼，其中有一系列相交的对角横梁组成了一个晶格核心，夹在顶部和底部面板之间。此类桁架晶格刚度与强度都很高，但是重量很轻。

板晶格是由板材而不是横梁的三维交叉点构成的蜂窝状结构，此类高性能结构比桁架晶格更坚固、更坚硬，但是其形状复杂，因此采用3D打印等常见技术制造此类结构极具挑战性，特别是对于大规模工程应用而言。

MIT的研究人员利用一种通过折叠和剪纸制作3D形状的技术kirigami克服了此类制造挑战，而此类技术可追溯至7世纪时的日本艺术家。

Kirigami已被用于利用部分折叠的之字形折痕制造板晶格。但是要制造三明治结构，就必须在波纹型夹芯的顶部和底部，将平板连接到由之字形折痕形成的窄点上，这通常需要强大的粘合剂或焊接技术，可能会导致组装缓慢、昂贵且很难实现规模化生产。

MIT的研究人员改变了常见的折纸折痕模式Miura-ori ，因此波纹型结构的尖锐点被转换成切面。此类切面跟钻石上的切面一样，可以更容易用螺栓或铆钉将板材固定在平面上。

Parra Rubio表示：“板晶格在强度和刚度上都优于横梁晶格，同时重量和内部结构保持不变。通过使用双光子光刻技术的纳米级制造工艺，已经可以证明其达到了理论上刚度和强度的H-S上限。由于制造板晶格的难度很大，因此对大尺寸板晶格的研究也很少。我们认为折叠可以更容易利用此类由金属制成的板材结构。”

定制化性能

此外，研究人员设计、折叠和切割样式的方式使其能够调整刚度、强度和弯曲模量（材料抗弯曲的能力）等机械性能。他们将此类信息及3D形状编码成折痕图，以创建此类剪纸技术中出现的波纹。

例如，基于折叠的设计方式，有些小单元可以被塑形，从而在被压缩时可保持原来的形状，而其他小单元的形状被改变，从而可弯曲。通过此种方式，研究人员可以精确地控制该结构在不同区域被压缩时如何变形。

由于该结构的灵活性可被控制，此类波纹就可用于机器人或者其他部件可移动、扭曲及弯曲的动态应用中。

为了制造机器人等大型结构，研究人员引入了模块化组装工艺。他们大量生产更小型的折痕样式，并将其组装成超轻、超强的3D结构。结构越小，折痕也越少，从而简化制造过程。

采用得到调整的Miura-ori 样式，研究人员创造了一种可以产生他们想要形状和结构特性的折痕模式。然后，他们利用一种特殊机器——Zund切割台，在一块平金属板上刻下刻痕，然后将其折叠成3D形状。

研究人员表示：“为了制造汽车和飞机等产品，需要在工具上投入巨额资金。但该制造工艺不需要工具，就像3D打印一样。不过，与3D打印不同，我们的工艺可以设定材料特性的极限。”

研究人员利用其方法生产出了抗压强度超62千牛顿的铝结构，每平方米的重量仅为90公斤（软木每平方米重约100公斤）。此类结构非常坚固，可以承受普通铝波纹板可承受的三倍的力。

该款多用途技术可用于许多材料，如钢铁和复合材料，因而非常适合用于生产飞机、汽车或航天器的轻质减震材料。

不过，研究人员发现其方法很难建模。因此，未来，他们计划为此类kirigami板晶格结构研发用户友好的CAD设计工具。此外，他们希望探索其他方法，以减少模拟产生所需性能的设计的计算成本。