细胞固体是由许多单元格组成的材料，这些单元格被紧密地堆叠在一起，如蜂窝状结构。这些单元格的形状在很大程度上决定了材料的机械特性，包括其刚度和强度。例如，骨骼中充满了一种天然材料，使它们既轻巧又坚硬强韧。
受到自然界中的骨骼和其他细胞固体的启发，人类利用了相同的概念来开发构建材料。通过改变构成这些材料的单元格的几何形状，研究人员可以定制材料的机械、热学或声学特性。构建材料被广泛应用于众多领域，从吸震的包装泡沫到调温的散热器。
现在，麻省理工学院的研究人员利用日本古老的折叠切割纸艺术“kirigami”，制造了一种高性能的构建材料，称为板格子结构，而且这一方法的制造尺度远大于以前通过添加制造能够实现的规模。这一技术使他们能够使用金属或其他材料创建具有自定义形状和特定机械特性的结构。
该研究的资深作者，麻省理工学院中心（CBA）主任Neil Gershenfeld教授表示："这种材料就像钢软木。它比软木轻，但具有高强度和高刚度。" 研究人员开发了一种模块化的构造过程，其中许多较小的组件被形成、折叠并组装成3D形状。使用这种方法，他们制造了超轻和超强的结构和机器人，在特定载荷下，这些结构能够变形并保持形状。
由于这些结构轻巧且强韧，而且在较大尺度上相对容易进行大规模生产，因此它们在建筑、飞机、汽车或航空航天组件等领域可能特别有用。
除了Gershenfeld教授，还有本研究的首席作者Alfonso Parra Rubio（CBA研究助理）、Klara Mundilova（麻省理工学院电气工程与计算机科学研究生）等人，以及麻省理工学院计算机科学教授Erik D. Demaine。该研究成果将在美国机械工程师学会（ASME）的“计算机与工程信息会议”上进行展示。
通过折叠进行制造
构建材料，比如格子结构，通常被用作一种名为“夹心结构”的复合材料的内核。想象一下夹心结构，可以想象一架飞机的机翼，其中一系列相交的对角横梁形成一个夹在上下面板之间的格子内核。这种桁架格子具有很高的刚度和强度，但非常轻巧。
板格子是由板材三维交叉组成的细胞结构，而不是横梁。这些高性能结构甚至比桁架格子更加坚固和刚硬，但它们复杂的形状使得在常见的制造技术（如3D打印）下制造它们变得困难，尤其是在大规模工程应用中。
麻省理工学院的研究人员利用切纸技术克服了这些制造难题，切纸是一种通过折叠和切割纸张制造3D形状的技术，可以追溯到公元7世纪的日本艺术家。
“Kirigami”已被用于通过部分折叠的锯齿形褶皱制造板状格子。但要制作夹心结构，必须将平板连接到锯齿形褶皱形成的狭窄点上，这通常需要强力的胶粘剂或焊接技术，这可能使组装变得缓慢、昂贵且难以扩展。
麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸褶痕图案，称为Miura-ori图案，使褶皱结构的尖点变成了平面。就像钻石上的切面一样，这些切面为平板提供了更容易连接的平面，可以使用螺栓或铆钉连接。
“在保持相同重量和内部结构的情况下，板格子在强度和刚度方面优于横梁格子，”Parra Rubio说道。“通过使用双光子光刻技术在纳米尺度上生产，已经证明实现了理论刚度和强度的H-S上限。由于板格子的制造一直非常困难，目前在宏观尺度上的研究非常少。我们认为折叠是一条从金属制成的这种板状结构更易于利用的途径。”
可定制的性能
此外，研究人员设计、折叠和切割图案的方式使他们能够调整特定的机械性能，例如刚度、强度和弯曲模量（材料抵抗弯曲的倾向）。他们将这些信息以及3D形状编码到褶皱图中，用于创建这些切纸褶皱。
例如，根据褶皱的设计方式，一些单元格可以被形状化，使它们在被压缩时保持形状，而其他单元格可以被修改以便弯曲。通过这种方式，研究人员可以精确控制结构不同区域在被压缩时的变形情况。
由于结构的灵活性可控，这些褶皱可以用于机器人或其他具有移动、扭曲和弯曲部件的动态应用。
为了制作像机器人这样的较大结构，研究人员引入了模块化的组装过程。他们大规模生产较小的折叠图案，并将它们组装成超轻和超强的3D结构。较小的结构较少的折叠，简化了制造过程。
利用改良后的Miura-ori图案，研究人员创建了一个能够产生所需形状和结构特性的褶皱图案。然后，他们使用一台名为Zund切割台的独特机器，对平面金属板进行刻痕，将其折叠成3D形状。
Gershenfeld教授表示："制造汽车和飞机等产品时，需要大量的工具。这种制造过程没有工具，类似于3D打印。但与3D打印不同的是，我们的过程可以设定记录材料性能的极限。"
使用他们的方法，他们制造了压缩强度超过62千牛顿，但每平方米只有90公斤重量的铝制结构（软木的重量约为每平方米100公斤）。他们的结构如此强大，可以承受比典型的铝制褶皱多三倍的力量。
这种多功能技术可以应用于许多材料，如钢材和复合材料，非常适用于制造轻量级、吸震的飞机、汽车或航天器零部件。
然而，研究人员发现他们的方法很难建模。因此，未来他们计划为这些切纸板状格子结构开发用户友好的CAD设计工具。此外，他们还希望探索降低模拟设计的计算成本的方法，以获得所需的性能。
"切纸褶皱为建筑构造带来了令人兴奋的潜力，"James Coleman MArch '14说道，他是设计制造和安装公司SumPoint的联合创始人，也曾是Zahner的创新与研发副总裁，与此工作无关。他表示："根据我在复杂建筑项目中的经验，目前用于构建大规模曲线和双曲面元件的方法需要大量材料，造成浪费，因此在大多数项目中被认为不切实际。虽然作者的技术为航空航天和汽车工业提供了新颖的解决方案，但我认为他们基于单元格的方法也可以显著影响建筑环境。能够制造具有特定性能的各种板状格子结构，可能会实现性能更高、表现更丰富的建筑，且材料消耗更少。告别沉重的钢铁和混凝土结构，迎来轻量级格子结构！"
此外，Parra Rubio、Mundilova和其他麻省理工学院的研究生还使用这种技术创建了三幅大规模的铝复合材料折叠艺术品，这些作品正在麻省理工学院媒体实验室展出。尽管每幅艺术品的长度都有几米，但这些结构只需要几个小时就可以制作完成。
"在一天结束时，艺术作品之所以可能，是因为我们在论文中展示的数学和工程贡献。但我们不想忽视我们工作的审美力量，"Parra Rubio说道。
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