摘要：很多动植物靠“瞬间变形”完成关键生存动作：捕蝇草不到 0.1 秒就合拢叶片抓住猎物，狸藻在毫秒内吸入昆虫。这些动作并不是靠复杂的外部驱动完成的，而是先在体内储存弹性能量，然后一旦触发就瞬间释放，实现快速、高效、可逆的变化。正是这种“储能—释放”的机制，让它们在

自然启示：瞬时形态的生存智慧

很多动植物靠“瞬间变形”完成关键生存动作：捕蝇草不到 0.1 秒就合拢叶片抓住猎物，狸藻在毫秒内吸入昆虫。这些动作并不是靠复杂的外部驱动完成的，而是先在体内储存弹性能量，然后一旦触发就瞬间释放，实现快速、高效、可逆的变化。正是这种“储能—释放”的机制，让它们在自然界中更容易生存，也长期启发科学家们思考：能否让人工材料也像它们一样，快速响应并在不同形态间自由切换。近年来，研究者尝试在梁、薄壳、折纸和剪纸等人工结构中模仿这种机制，但普遍遇到三大难题：可变形的状态太少、设计空间有限，而且一旦制备完成就很难重新编程，尤其是在三维自支撑结构中，更难实现像自然界那样丰富的形态演化。

美国北卡罗来纳州立大学尹杰教授团队最近研发出一种全新的“百变”灯笼剪纸超材料。它看似简单的灯笼形结构，其实暗藏玄机：在拼接过程中，细条状的结构会自然弯曲和扭转，把能量“储存”在材料里。一旦触发，这种能量就能驱动结构快速变形。令人惊讶的是，只需翻转边界，这个小小的单元就能切换出超过十三种不同的三维形态，还能在单稳态、双稳态、三稳态甚至四稳态之间自由切换。简单来说，就是一个“会变身”的材料单元。这一发现不仅为科学家探索新型超材料提供了全新的思路，还可能在软体机器人、柔性抓取、流体控制等未来应用中发挥重要作用，让工程结构拥有像自然界一样的快速反应和多变能力。相关论文以“Reprogrammable snapping morphogenesis in ribbon-cluster meta-units using stored elastic energy”为题，发表在Nature Materials杂志上，第一作者为洪尧烨 （Yaoye Hong）博士。

灯笼结构里的弹性魔法：一个角度决定能量与变形

研究团队用一种“剪一剪、粘一粘”的方法，做出了一个会自己立起来的灯笼状超材料单元。别看制作过程很简单：先用激光把塑料薄片切成一排排平行的小条，再把四个角两两粘在一起，就能自动形成一个立体的灯笼形结构(图1)。巧妙之处在于，粘接时的角度决定了它能储存多少能量。这个角度叫做 β。想象一下，如果 β=0°，条带笔直排列，像一个圆柱体，没有多少能量储存；但只要 β 偏离零，条带就会被迫弯曲和扭转，好比被“压弯”的弹簧，能量就被储存在里面，结构也会变成灯笼的形态。随着 β 越来越大，单元不仅储能更多，还会出现从“稳定”到“单稳态”，再到“双稳态”的变化——就像一个开关被编程，可以控制它的不同状态。更妙的是，当 β 超过一个临界值时，系统会突然发生“弹跳”，像捕蝇草那样快速切换形态。简单来说，研究人员只需在制造时调整这个角度，就能编程式地控制结构的能量和变形方式，让它像自然界的生物一样，随时准备来一次快速的“变身”。

图1 切粘二维薄片而形成的三维灯笼从单一结构到超过十种重构构型的演化

翻转角α：让机械灯笼‘重写自己’的魔法开关

如果说 β 决定了灯笼单元“出生时”的初始状态，那么翻转角 α 就像给它安装了“后期编辑器”，让它可以在使用过程中自由变换形态（图2）。研究人员发现，通过翻转单元的上下边界（改变 α 的方向），内部储存的能量会重新分配，让同一个单元可以在完全不同的形状间切换。例如，它可以像变魔术一样，从“花瓶”变成“沙漏”，再到“甜甜圈”或“锥体”，每一种形状都有自己独特的弹跃路径。不同于传统设计只能依赖制造阶段设定的参数，α 的引入让灯笼单元即使制造完成后，也能灵活“重写代码”，真正实现可重编程。换句话说，α 赋予了超材料动态可重构的能力，让机械系统不再是静态的，而是可以不断进化。这一突破让单元能够跨越多种稳定状态，大大拓展了可实现的形态空间。

图2 单个单元通过改变翻转角α而产生的多种弹跃变形

让材料自己选择形态：三维弹跃的“自动进化”

在β和α的基础上，团队又引入了一个新的“调控角度”——扭转角γ，让单元能够控制整体的扭动和切换所需的能量。简单来说，改变γ就像给材料装上“自动开关”：一个“花瓶”形状的单元可能瞬间变成紧凑的沙漏，或者收缩成类似飞碟的形态。更神奇的是，当β、α和γ三个角度同时作用时，结构竟能自己选择演变路线，实现像“自主进化”一样的多样形态变化。

为了研究这种能力，团队做了超过一千次实验，并绘制了一张“变形地图”（图3）。地图上不同颜色代表不同形态，研究者可以像看地图一样，从目标形态快速找到对应角度，轻松控制复杂的三维弹跃结构。这种方法不仅让复杂形态的设计变得简单高效，也让材料具备了前所未有的自我调控能力。

图3 角度与弹跃变形相图

应用展示：像花苞一样抓取与控制流体

为了展示这种超材料的神奇能力，研究团队在灯笼状单元上加入了可以响应磁场的软材料，并通过旋转磁场远程驱动它，实现了“花苞开合”的快速形态变化。就像图4显示的那样，这些单元可以在不到0.1秒的时间内从张开的“盛放”状态闭合成紧凑的“花苞”，再在0.04秒内迅速重新展开。闭合后的“花苞”无需持续提供能量也能保持稳定，像一个自持的微型弹簧。

这种快速、可逆且自持的变形特性被进一步开发为柔性抓手。在复杂或受限的环境中，这种抓手能够温柔而迅速地包裹鱼类、鱼卵等柔软脆弱的目标，避免传统机械夹持可能造成的损伤。它紧凑的收缩状态让抓手轻松进入狭窄空间，而展开后则形成球形保护目标。

不仅如此，团队还将这一机制应用到流体控制中。他们在单元一端安装柔性膜片并嵌入管道，做成了一个远程驱动的软阀门。当单元处于“花瓶”状态时，液体可以顺畅流动；当磁场触发其跳变为“沙漏”状态时，管道被折叠扭转，流动瞬间被阻断；撤去磁场后，阀门又能自动恢复开放。相比传统阀门，这种设计不仅响应更快、结构更柔软，而且在不规则或受限环境中也能可靠工作，为柔性机构和微创医疗器械开辟了新的应用可能。

图4 三维结构在受限环境中的应用：柔性机械抓手、流体控制阀门、受限可展结构

总结与展望：从灯笼超材料到未来智能机器人

这项研究展示了灯笼状条带超材料的神奇力量：它们可以像“变形魔术师”一样快速切换多种形态，自行选择最合适的形态完成任务，而且还能反复重编程。未来，这种设计不仅可以让柔性机器人温柔抓取脆弱物体，还能用于精密控制流体，甚至为微创医疗器械、智能材料和可变形结构开辟新天地。研究团队相信，这类可重构、多稳态的材料将成为新一代智能机械和软体机器人的核心，让机器更聪明、更灵活、更安全地与世界互动。

尹杰课题组简介 | 2026年秋季博士生招生

尹杰教授，现任北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系教授，曾先后在清华大学与哥伦比亚大学获得硕士与博士学位，并在麻省理工学院完成博士后研究。

实验室简介：

尹杰课题组专注于前沿科研领域，包括软体机器人、机械超材料及可形变功能材料。实验室成果丰硕，已在 PNAS、Science Advances、Nature Communications、Nature Materials 等国际顶尖期刊发表论文90余篇。曾荣获2025年美国白宫总统青年科学家与工程师早期成就奖（PECASE）、2022年美国国家科学院PNAS Cozzarelli奖、NSF CAREER奖及Extreme Mechanics Letters青年科学家奖。

科研方向与机会：

课题组致力于融合工程智慧与自然灵感的创新研究，探索下一代智能材料与机器人技术的无限可能。2026年秋季，我们诚邀博士研究生加入，开展跨学科研究，涵盖：

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来源：高分子科学前沿