剪纸，剪出一篇Nature！

摘要：传统降落伞制造工艺复杂、成本高昂，且在空中易受气流影响产生随机漂移，严重限制了其在人道主义空投和无人机配送等领域的广泛应用。近年来，剪纸艺术中通过切割图案调控材料变形与力学性能的理念，为设计新型可展开结构提供了灵感。然而，如何将这种结构在流体作用下进行可控重构

新型剪纸降落伞，实现精准空投

传统降落伞制造工艺复杂、成本高昂，且在空中易受气流影响产生随机漂移，严重限制了其在人道主义空投和无人机配送等领域的广泛应用。近年来，剪纸艺术中通过切割图案调控材料变形与力学性能的理念，为设计新型可展开结构提供了灵感。然而，如何将这种结构在流体作用下进行可控重构，并应用于降落伞设计，仍是一个待探索的挑战。

近日，加拿大蒙特利尔大学David Melancon教授和Frédérick P. Gosselin教授合作提出了一种受剪纸艺术启发的降落伞设计。研究团队通过激光切割在薄圆盘上制作闭环剪纸图案，赋予其特定的孔隙度和柔韧性。结合风洞实验和数值模拟，他们开发了一套设计工具，能够实现剪纸圆盘在流固耦合作用下的可控重构。实验表明，这种剪纸降落伞在低负载面积比下，其终端速度与传统降落伞相当，但独特之处在于：无论初始释放角度如何，它们都能稳定垂直下落，并精准降落在目标附近，从而有望显著减少空投过程中的物料损失，并降低制造成本与复杂度。相关论文以“Kirigami-inspired parachutes with programmable reconfiguration”为题，发表在Nature上。

在研究之初，团队通过对比无切口圆盘与两种不同剪纸图案（设计A与设计B）的自由落体运动，揭示了图案对稳定性的关键影响。无切口圆盘和设计A在坠落中变形为不稳定的圆柱模式，导致翻滚和随机漂移；而设计B则呈现出准轴对称的拉伸变形，在整个下落过程中保持与竖直轴对齐，表现出极低的横向漂移。这证明了特定的剪纸图案能诱导出稳定的下落模态。

图1 | 自由下落剪纸圆盘的运动学特性。

为了深入理解其背后的空气动力学原理，研究人员在风洞中对这些剪纸圆盘进行了测试。他们观察到，设计A和设计B在均匀气流中分别再现了自由落体中的不稳定和稳定变形模式。测量数据显示，稳定模式的设计B在相同流速下具有更大的轴向伸长，并且其产生的气动力矩随攻角变化的斜率为负，这为其提供了静态稳定性，类似于一个“杠杆效应”帮助维持垂直姿态。

图2 | 剪纸圆盘在流场中的重构。

通过对24种不同几何参数的剪纸圆盘进行拉伸测试，并结合基于欧拉-伯努利梁组件的理论模型，团队建立了一个刚度预测方法。他们发现，剪纸图案引入的附加刚度是决定变形模式的关键，并据此提出了一个线性转变准则：当模式的刚度低于模式C时，稳定的模式K将占主导。这一准则成功地区分了不同设计的变形行为。

图3 | 剪纸圆盘的设计空间。

通过量纲分析，研究者将剪纸圆盘在流场中的行为归纳为伸长率、柯西数和重构数等无量纲参数，并发现所有试样的数据均落在一条主曲线上。数值模拟结果与实验高度吻合，特别是在引入基于孔隙度的修正模型后，准确预测了剪纸结构因开孔导致的有效阻力变化。这为设计具有最佳下落性能的剪纸降落伞提供了可靠工具。

图4 | 剪纸启发降落伞的性能。

性能对比显示，剪纸降落伞的终端速度-负载关系与天然风散种子及部分传统降落伞相当。然而，在落点精度方面，剪纸降落伞展现出巨大优势。室内外投掷实验表明，传统椭圆伞和变形不稳定的设计A落点分布随机且分散；而采用稳定模式K的设计B，无论初始释放角度如何，均能一致的降落在目标附近。为验证实际应用潜力，团队制作了一个直径0.5米的大型剪纸降落伞，成功从60米高空通过无人机投送了一瓶水，实测终端速度与模型预测接近，证明了该设计在不同尺度和环境下的可行性与鲁棒性。

图5 | 实际条件下的剪纸启发降落伞。

这项研究证实，将剪纸原理引入薄板结构能够创造出稳定、精准的空投系统。这种降落伞制造工艺简单，无需复杂组装，并能有效抑制下落过程中的横向漂移，对于人道主义援助物资的精准投送具有重要价值。展望未来，研究者计划通过覆盖柔性薄膜来降低孔隙度影响以进一步减小终端速度，并探索非对称、手性或分层等更复杂的图案来编程降落轨迹。结合折纸技术实现紧凑折叠，以及在同一空投中使用多种图案以实现群体分选，都是未来值得探索的方向。这项技术有望革新现有空投方式，为紧急救援和物资配送带来新的解决方案。