盖世汽车讯 从泳池浮垫、环法自行车赛的拱门，到救命的急救复苏器和汽车安全气囊，充气结构在生活周围随处可见。尽管这些结构用途广泛，但它们仅限于两种稳定状态——充气和放气。

这种情况或许不会持续太久。据外媒报道，哈佛大学由工程师和建筑设计师组成的研究团队开发出一种基于力学的框架，可以精确控制充气膜上褶皱的形成方式和位置。他们利用这些可控的褶皱，制造出轻质充气物体，这些物体在充气后会改变形状，并展现出物理学家所说的多稳态特性——能够锁定在多个稳定的形状上。

图片来源：哈佛大学

这项发表在《先进科学》（Advanced Science）上的研究为探索新型复杂充气装置奠定了基础。

该研究由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（John A. Paulson School of Engineering and Applied Science，SEAS）威廉和阿米·库安·达诺夫家族应用力学教授（William and Ami Kuan Danoff Family Professor of Applied Mechanics）Katia Bertoldi以及哈佛大学设计研究生院熊谷建筑技术教授（Kumagai Professor of Architectural Technology）Martin Bechthold共同领导。

Bertoldi表示：“这个项目不仅探索了多稳态在新的、或许出乎意料的应用方式，也展现了设计师和工程师之间合作的巨大潜力。”

多稳态：设计与工程的挑战

该项目始于几年前，当时共同第一作者Hye Jun Youn还是哈佛大学设计研究生院的一名硕士研究生，她开始尝试使用热塑性聚氨酯薄膜——这种材料也常用于大多数泳池玩具。她设计了一种名为“PneuBots”的模块化充气装置，这种装置充气后会奇妙地卷曲弯曲成稳定的形状，这激发了她对这种行为背后物理机制的兴趣。

在哈佛大学，她寻找合作者的过程中遇到了结构设计教授Bechthold，后者成为了她的项目导师。她通过Bechthold教授和同学Leon Kamp与哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的Bertoldi团队取得了联系。

“我需要科学数据来证明这种形状改变的行为——这是我自己无法证明的，”现在是麻省理工学院媒体实验室博士生的Youn说到。

当Youn第一次带着她的手持式原型参加Bertoldi小组会议时，当时的博士后研究员兼共同第一作者Yi Yang感到震惊。

大多数充气膜柔软且有弹性，但在加压时，它们更喜欢弯曲而不是拉伸，这自然会产生皱纹或褶皱，就像聚酯薄膜气球周边的皱纹或褶皱一样。在制造充气产品时，通常认为要避免褶皱。相反，哈佛大学团队想知道这些功能是否有用。

构建双稳态结构

他们首先制作了一个扁平的矩形囊袋，并在其边缘设置了凹槽。充气后，这些凹槽会在囊袋表面形成褶皱，每个褶皱都起到机械铰链的作用。

“关键在于我们能否精确控制褶皱在囊袋表面的位置，从而控制褶皱的形成位置，进而调节整个结构的稳定性，”Yang教授说道。

通过调整凹槽的几何形状和间距，研究团队发现，在恒定的内部压力下，他们可以可靠地将铰链在两种镜像构型之间切换，从而使每个囊袋呈现两种稳定的形状。

一旦他们理解了这种基本机制，便将许多这样的双稳态单元拼接成更大的阵列。通过沿不同方向排列凹槽，他们可以制造出像铰链面板串一样折叠的一维链，或是能够折叠成各种三维形状的二维薄片。

在规模较小的实验室演示中，研究团队利用这些可编程铰链制造出可以改变曲率或作为简单交互设备的面板——例如，一个小型充气装置，其折叠的铰链翻转时可以控制灯的开关。

进一步扩大规模需要不同的制造方法。研究人员与哈佛大学设计研究生院（GSD）制造实验室的工作人员合作，改造了一台大型数控切割机，用于将复杂的图案焊接到宽幅聚氨酯卷材上。最大原型机的最终边缘密封工作是与罗德岛州普罗维登斯的一家商业充气装置制造商合作完成的。

最终建成的大型结构，大约一人高，数米长，放气后可由几人抬动，然后在户外充气成一个展馆大小的壳体，他们在科学与工程综合楼的草坪上进行了演示。这个壳体可以在多种形状之间变换，包括圆锥形封闭空间、隧道和顶篷。

“说实话，我一开始并不确定我们能否以展馆规模进行演示，”Bechthold说道。“放大尺寸并非易事。但我认为，能够真正展示出其中的空间特性……我已经非常满意了。”

潜在的安全应用

该团队还开展了实验，研究多稳态充气系统如何潜在地提升安全性。充气系统已广泛应用于安全气囊和防坠落设备等领域。由于多稳态结构在状态转换过程中会耗散能量，该团队研究了将充气与可控多稳态相结合是否能够提高减震性能。

跌落测试对比了传统气垫和新型多稳态设计，结果表明，可控溃缩充气装置能够更好地保护从更高高度跌落的易碎物体。在一项演示中，一个生鸡蛋从标准气垫上掉落后反弹并破裂，但从更高处掉落到多稳态气垫上后却完好无损，这是因为多稳态气垫的溃缩铰链在翻转过程中耗散了能量。

研究人员表示，这些实验为设计轻便易部署的自适应、可重构结构开辟了新的可能性。潜在应用范围广泛，包括可变形家具、临时装置、防护系统和软体机器人等。