摘要：还记得小时候折过的千纸鹤吗？轻轻一拉尾巴，翅膀就能扑扇地动起来；还有那只会跳的小青蛙，按一下，跳一步……人们用智慧将二维的纸张变成三维结构，这门技艺，就是折纸艺术。如今，折纸早已不只是童年的乐趣，更演变成一门跨界科学，叫做工程折纸，融合了数学、力学、材料科学，
还记得小时候折过的千纸鹤吗？轻轻一拉尾巴，翅膀就能扑扇地动起来；还有那只会跳的小青蛙，按一下，跳一步……人们用智慧将二维的纸张变成三维结构，这门技艺，就是折纸艺术。如今，折纸早已不只是童年的乐趣，更演变成一门跨界科学，叫做工程折纸，融合了数学、力学、材料科学，广泛应用于航天器设计、智能超材料甚至生物医疗中。
从传统折纸到工程应用。图片来源：Adv. Mater.[1] & Sci. Rep.[2]
与此同时，科学家们也在尝试让材料像折纸一样“动”起来。比如柔软的水凝胶，对外界的温度、pH值或离子浓度等外界刺激产生膨胀、收缩、甚至折叠等形变反应，就像拥有感知能力的软体生命，具备致动行为的潜力，有望用于软体机器人等领域。但现实中，大多数水凝胶只能进行随机、不可控的动作。如果能像折纸那样提前规划折痕和路径，或许就能让它们精准地伸展、翻折，执行预设的“动作指令”。
自然界中典型的刺激响应形变：i）海参膨胀、ii）向日葵弯曲、iii）种荚扭转、iv）捕蝇草折叠、v）螃蟹移动。图片来源：Adv. Funct. Mater.[3]
近日，韩国国立首尔科学技术大学Hyunsik Yoon教授与国立首尔大学Won Bo Lee教授等研究者合作在Matter 杂志发表论文，报道了一种全新的水凝胶孔结构受控折叠策略。他们受折纸启发，提出了一种全新的“棱面驱动折叠（facet-driven folding）”策略，通过在水凝胶的多边形孔结构中预设“折痕”，让材料在吸水膨胀时沿着设定轨迹折叠变形。这种几何调控方式显著提升了水凝胶的响应速度、可预测性与可逆性，实现了对微颗粒的选择性捕获、定时释放，以及基于形状的加密信息存储。
水凝胶孔几何变形。图片来源：Matter
这种棱面驱动折叠策略的设计思路大致如下（下图A）：一个带有固定边界的多边形孔隙中，当水凝胶材料因吸水而体积膨胀时，孔隙的棱面会沿面外方向弯曲变形。预设的“铰链”引入了更多的自由度，精确调控了孔隙的收缩程度与复原能力。在材料选择上，采用甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）和丙烯酸（AA）作为共聚物前驱体，后者负责调节溶胀程度。
基于棱面驱动折叠的形变策略。图片来源：Matter
孔收缩过程，大致可分为三个阶段：初始打开（open）、部分共存（coexistence）和完全闭合（closed）。为了评估形变行为的可控性，研究者结合经典板理论与有限元仿真，分析了不同几何参数（如孔形状、多边形边数、邻近单元间距）对结构收缩行为的影响，提取出每种孔型闭合所需的临界条件。实验结果与模拟高度一致，5种不同孔型都能在溶胀后沿预设路径精准变形并顺利闭合。
孔收缩行为的调控设计。图片来源：Matter
当水凝胶失水干燥、尝试恢复原状时，结构取决于两股力量的对抗：一是材料自身的弹性回复力，二是孔壁接触产生的粘附力。谁占上风，就决定了最终结构是“弹回去”还是“粘在一起”。结果显示，交联程度越高，恢复能力越强。当交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺浓度为1 mol%时，仅能部分复原；而提高至4 mol% 时，则可实现完全复原，在反复的湿干循环中表现出高度可逆性。此外，孔的几何形状同样关键，在相同低交联剂浓度下，高对称性结构（如六边形和三角形）容易受缺陷扰动，导致变形路径不唯一，复原效果较差；而低对称性的五边形结构，因能量极小点更少，倾向沿预设路径复原，具有更优异的形状记忆。
孔可逆恢复的力学机制。图片来源：Matter
随后，研究者使用两种大小不同的微颗粒（20 μm和50 μm）作为模拟药物，装入具有多边形孔结构的水凝胶中。当溶液pH从7逐渐下降到6和4时，水凝胶孔会依次开启。小颗粒优先释放，大颗粒则延后释放，从而实现按顺序释放药物的效果。与圆孔相比，多边形孔更容易完全闭合和精确控制，释放过程更可控。由于具备良好的开启-闭合可逆性，在多次pH波动下还可以实现药物的多次准确递送，显著提升药效同时减少副作用。
基于pH响应的多尺寸微粒释放机制。图片来源：Matter
有趣的是，利用不同形状孔在干燥后的恢复能力存在差异这一特性，还可以实现信息加密应用。例如，干燥后方孔恢复程度低于圆孔，通过向孔中加入荧光微粒，方孔能在干燥后保留标记物，使“S”形信息显现。之后再通过刺激释放标记物，擦除信息，还可实现加密内容的“自毁”效果。
利用几何特异性实现信息加密。图片来源：Matter
“传统圆形孔因缺乏几何约束，只能随机折叠，我们则采用了一种棱面驱动的折叠策略，将受折纸启发的铰链和多边形面结构集成到水凝胶孔中，实现了可编程、可预测的致动变形”，Won Bo Lee教授表示，“pH响应机制在药物递送中非常关键，药物释放可以是分阶段的，并依赖于对pH波动区域的精准识别。我们的策略可集成至药物释放系统，实现高空间与时间分辨率，从而提高治疗效果，为下一代软体机器人和生物诊断技术带来新的可能”。[4]
论文亮点总结。图片来源于网络 [4]
Facet-driven folding for precise control of hydrogel pore actuation
Ji Hoon Kim, Yoon Ji Seo, Hyewon Choi, Yoonjin Lee, Ah Yun Kim, Mike Jason Koleczko, Won Bo Lee, Hyunsik Yoon
Matter, 2025, DOI: 10.1016/j.matt.2025.102248
参考文献：
[1] S. Leanza, et al. Active Materials for Functional Origami. Adv. Mater. 2024, 36, 2302066.
DOI: 10.1002/adma.202302066
[2] T. H. Kim, et al. Construction of metre-scale foldable space shelter based on gravity-driven self-assembling origami. Sci. Rep. 2025, 15, 19615.
DOI: 10.1038/s41598-025-04241-8
[3] X. Liu, et al. Recent Advances in Stimuli-Responsive Shape-Morphing Hydrogels. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2203323.
DOI: 10.1002/adfm.202203323
[4] Origami-inspired folding strategy for hydrogel pores enables precise control
（本文由小希供稿）
来源：X一MOL资讯