摘要：传统中国灯笼的优雅结构正在激发21世纪最前沿的材料科学突破。北卡罗来纳州立大学研究团队成功开发出一种聚合物"中国灯笼"结构，这种创新材料能够在十几种不同的三维形状之间快速切换，并可通过磁场进行远程控制。这项发表在《自然材料》杂志上的研究成果，不仅展现了仿生工程

信息来源：https://techxplore.com/news/2025-10-chinese-lantern-shifts-dozen-applications.html

传统中国灯笼的优雅结构正在激发21世纪最前沿的材料科学突破。北卡罗来纳州立大学研究团队成功开发出一种聚合物"中国灯笼"结构，这种创新材料能够在十几种不同的三维形状之间快速切换，并可通过磁场进行远程控制。这项发表在《自然材料》杂志上的研究成果，不仅展现了仿生工程的巨大潜力，更为软体机器人、医疗器械和智能材料等领域的发展开辟了全新道路。

该研究的核心创新在于利用存储弹性能量实现可编程的快速形态变化。研究人员通过精密设计的聚合物片材切割工艺，创造出具有多重稳定状态的三维结构，这种结构能够在外力作用下快速"卡入"不同的稳定形态，并在释放外力时迅速恢复原状。这种独特的变形机制为开发新一代智能材料提供了重要的理论基础和技术路径。

北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程教授尹杰作为该项研究的通讯作者，领导团队深入探索了这种仿生结构的变形机理。团队成员包括博士生周才智、青海涛，以及现任宾夕法尼亚大学博士后研究员的洪耀烨和迟银丁，他们的跨学科合作为这一突破性成果的实现提供了坚实保障。

从传统工艺到现代科技的完美融合

研究人员创造了一种聚合物“中国灯笼”，可以通过压缩或扭曲原始结构卡入十几个弯曲的三维形状。这种快速变形行为可以使用磁场进行远程控制，从而使该结构能够用于各种应用。图片来源：北卡罗来纳州立大学 Yaoye Hong

中国灯笼作为传统手工艺品，其折叠和展开的机械原理蕴含着深刻的工程智慧。研究团队巧妙地将这种传统结构的力学特性与现代聚合物科学相结合，开发出了具有革命性意义的变形材料。

制造过程始于将聚合物片材切割成菱形平行四边形，随后在每片材料的中心切割一排平行线。这种精密的切割工艺创建出一排相同的带状结构，这些带状结构通过材料顶部和底部的实心条连接在一起。通过将顶部和底部实心条的两端连接，平面聚合物片瞬间转变为类似球形的三维中国灯笼结构。

这种基础结构展现出令人惊叹的双稳态特性。正如尹杰教授解释的那样："这种基本形状本身就是双稳态的，它有两种稳定的形式。灯笼形状是稳定的，但如果你从顶部向下压缩结构，它会慢慢开始变形，直到达到临界点，此时它会卡入第二个稳定的形状，类似于陀螺。"

更为重要的是，在陀螺形状状态下，结构储存了压缩过程中施加的所有能量。一旦开始拉伸结构，所有储存的能量会瞬间释放，导致结构快速恢复到原始的灯笼形状。这种能量储存和释放机制为开发高效的驱动系统提供了新的思路。

洪耀烨作为论文第一作者，进一步阐述了结构的多样性："我们发现，可以通过对形状进行扭曲、将灯笼顶部或底部的实心条折叠，或者这些操作的任意组合来创建许多额外的形状。这些变化中的每一个也是多重稳定的，有些可以在两种稳定状态之间来回切换，一种甚至有四种稳定状态。"

磁控技术实现远程操控

基本的灯笼物体是通过将聚合物片材切割成类似菱形的平行四边形，然后在每片的中心切割一排平行线制成的。这将创建一排相同的色带，该色带由纸张顶部和底部的实心材料条连接。通过将顶部和底部实心条的左右两端连接起来，聚合物片形成一个类似于大致球形的中国灯笼的三维形状。图片来源：北卡罗来纳州立大学 Yaoye Hong

为了实现对结构变形的精确控制，研究团队开发了创新的磁场驱动系统。通过在结构底部的实心条上附着一层薄磁膜，研究人员能够利用外部磁场远程控制结构的压缩或扭曲。这种非接触式控制方式为该技术在医疗、海洋工程等特殊环境中的应用提供了重要基础。

磁控技术的应用使得这种变形结构具备了广泛的实用价值。研究团队展示了几种利用双稳态特性的应用场景，包括用于水中捕鱼的无创夹持器、可开关控制水流的智能过滤器，以及能够迅速展开疏通管道的紧凑装置。这些应用演示充分证明了该技术的实用潜力和商业价值。

磁场驱动的优势在于其响应速度快、控制精度高、能耗低等特点。与传统的机械驱动或气动驱动相比，磁驱动系统可以实现更加精确和灵活的控制，同时避免了复杂的机械传动机构，大大简化了系统设计。

数学建模与工程应用的深度融合

研究团队不仅在实验层面取得了突破，还开发了完整的数学模型来描述和预测结构的变形行为。这个数学模型能够精确捕捉结构中不同角度如何控制每种变化的形状，以及每种稳定状态下储存的能量大小。

洪耀烨强调了数学模型的重要意义："这个模型使我们能够对想要创建的形状进行编程，预测其稳定性，以及当允许储存的势能转换为动能时的功率大小。所有这些参数对于创建能够执行特定应用的形状都至关重要。"

这种理论与实践相结合的研究方法，为该技术的进一步发展和优化提供了科学基础。通过数学模型的指导，研究人员可以更加高效地设计出满足特定应用需求的变形结构，大大缩短了从概念到产品的开发周期。

数学建模的成功还为该技术的规模化应用奠定了基础。通过建立准确的理论框架，研究人员可以预测不同尺寸、不同材料参数的结构的性能表现，为工业化生产提供重要参考。

未来发展前景与产业化潜力

尹杰教授对该技术的未来发展充满信心："展望未来，这些灯笼单元可以组装成二维和三维架构，用于形状变形机械超材料和机器人技术的广泛应用。"这一前瞻性的观点揭示了该技术在构建下一代智能材料系统方面的巨大潜力。

在软体机器人领域，这种变形结构可以作为基础模块，通过不同的组合和排列创造出具有复杂运动能力的机器人系统。与传统刚性机器人相比，基于变形材料的软体机器人在人机交互、医疗康复、海洋探索等领域具有独特优势。

医疗器械是另一个极具潜力的应用领域。这种可控变形的结构可以用于开发新型的微创手术器械、药物释放系统和植入式医疗设备。其非侵入性的控制方式和生物相容性材料的使用，为医疗技术的创新提供了新的可能性。

在航空航天领域，这种变形结构可能被应用于可展开的太阳能电池板、自适应翼面和空间结构等关键部件。其轻质高效的特点特别适合对重量和可靠性要求极高的航天应用。

随着研究的深入和技术的成熟,这种仿生变形材料有望在未来几年内实现产业化应用。从实验室概念到商业产品的转化,将为相关产业带来革命性的变革,同时也将为人类社会的技术进步贡献重要力量。

来源：人工智能学家