剪纸折纸艺术，居然成为了科技创新的灵感来源？
Sophie Ramananarivo
巴黎综合理工大学流体动力学实验室（LadHyX）研究员
剪纸和折纸艺术所蕴含的科学规律可以启发学者开发新技术。
大自然中有许多天然形成的剪切、折叠结构，如树叶和昆虫翅膀。
剪切折叠通过改变物体的结构，使其具有更高的柔性。
柔性物体虽然机械强度降低，但更容易适合多种环境。
未来研究的重点方向是如何让柔性物体的形变更可控，从而实现更多功能。
凡是试过将一张A4纸立起来的人，都知道这简直是不可能的任务——柔软的纸张立刻会倒下。但一旦将纸张对折，结构便立刻变得更稳固，立起来轻而易举！对折并不改变纸张的材料组成，只改变了其结构，为什么会使其性状发生如此大的变化呢？
类似的现象在自然界中也很常见——枝头的树叶萌发舒展，有着特定的方向和规律，让叶片更坚挺。上述两个例子与折纸艺术、剪纸艺术有着许多共同之处。巴黎综合理工大学流体动力学实验室（LadHyX）研究员Sophie Ramananarivo正在以这两种手工艺为研究对象，从中挖掘对机械和材料学的启发点[1]。
01
来自自然界的启发
折叠和剪切都会让目标物质柔韧性发生可控的提升，从而赋予物质新性状。Ramananarivo介绍：“我曾经做过一个课题，观察并研究昆虫翅膀的柔韧性，发现恰到好处的柔韧性让昆虫能用最小的力量获得最大的飞行力。[2]” Ramananarivo的另一项研究重点关注了昆虫翅膀的皱褶[3]。昆虫之所以翅膀煽动幅度大，不是因为肌肉发达，而是因为翅膀上有巧妙的皱褶。“未来，我想进一步研究翅膀皱褶对飞行能力的影响。”
无论是立纸小游戏、折纸艺术还是昆虫翅膀的案例，都告诉我们材料组成不是关键，起决定性作用的是材料上的皱褶。“折叠、剪切能制造出‘超材料’，其特殊性质来自于人为赋予的结构，而非材料本身。”
在软体机器人研究领域，折叠和剪切工艺近年来成为了热点[4, 5]。Ramananarivo 说：“过去机器人设计都爱用坚硬的材质，各个部位相对运动的方式都是固定的。但柔软材料也有不小的优势。折叠剪切研究能将这些优势转化为实际应用。”大家可以想象一下章鱼的触角：比机器手软，灵活度却更高。不过，柔软的触角也有缺点——拿不动重物。这是在设计软体机器人时必须考虑的。
02
“折”出低成本
科学家们正在对剪纸和折纸这两种古老的东方手工艺开展全面而深入的研究。Ramananarivo指出：“剪切和折叠工艺成本低，但能赋予材料惊人的特性。”学者们希望通过剪切和折叠，让材料能“自动”地实现某种功能，比如制造能根据水流大小‘自动’开合的阀门。
“折纸阀门”巧妙地利用了材料折痕的特性。如果水流超过某个事先设定的速度，阀门便会自动展开，不需要安排人类操作员亲自测量流速、手动开启。“利用柔性物体自动实现这些功能，能减少所需的过程控制节点。”
图片来源：PI France - 具有自动开合功能的“折纸阀门”[6]，现处于进一步研发阶段。
柔性材料的一大优势是善于适应各种环境，无论环境稳定还是多变。Ramananarivo 介绍：“曾经有寓言故事说：橡树硬而脆，芦苇软而韧，一阵风来，前者轰然倒下，后者安然无恙。跟芦苇类似的还有海草，即使洋流湍急也不会被连根拔起。想要设计有应用价值的柔性物体，必须使其形变可控。剪切折叠就是一种很好的方法，能给材料带来极丰富的形变可控性，所以成为了科学家研究的重点。”
03
“剪”出新天地
利用剪切折叠制造出的柔性物体，成本低、耐用性高，还能具备近乎智能的“自动功能”。因此，剪切折叠在许多领域都可以有广泛应用。
剪切折叠制造出的柔性物体能具备近乎智能的“自动功能”。
剪切折叠的物体在生活中随处可见。最常见的例子是快递箱。仔细看箱壁，会发现共由三层纸构成：两层扁平的，中间夹着一层波浪形的。之所以采取这种设计，是因为折叠成波浪形的纸能更好地吸收运输途中的冲撞力。有些商品的包装里塞有剪成细丝的硬纸条作为填充物，这便是利用剪切材料的特性保护物品。
剪切折叠还能启发新兴技术突破。有研究者设计出了折叠型卫星太阳能板[7]，能根据一天不同时刻阳光照射方向调整舒展程度、改变自身朝向，以持续获得最多的光照。还有学者在掌握了折叠物体形变规律后，发明出了用于保护无人机的“环形折纸铠甲”[8]。
作者
Pablo Andres
编辑
Meister Xia
参考资料
1. *LadHyX : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique – Institut Polytechnique de Paris.
2. Ramananarivo, S., Godoy-Diana, R., & Thiria, B. (2011). Rather than resonance, flapping wing flyers may play on aerodynamics to improve performance. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(15), 5964–5969.
3. Haas F, Wootton RJ. 1996 Two basic mechanisms in insect wing folding. Proc. R. Soc. B: Biol. Sci. 263, 1651–1658.
4. Polygerinos, P., Correll, N., Morin, S. A., Mosadegh, B., Onal, C. D., Petersen, K., … & Shepherd, R. F. (2017). Soft robotics: Review of fluid-driven intrinsically soft devices; manufacturing, sensing, control, and applications in human-robot interaction. Advanced Engineering Materials, 19(12), 1700016.
5. Lida, F., & Laschi, C. (2011). Soft robotics: Challenges and perspectives. Procedia Computer Science, 7, 99–102.
6. Marzin Tom, de Langre Emmanuel and Ramananarivo Sophie. 2022 Shape reconfiguration through origami folding sets an upper limit on drag. Proc. R. Soc. A. 478: 20 220 592 http://doi.org/10.1098/rspa.2022.0592
7. S. A. Zirbel, R. J. Lang, M. W. Thomson, D. A. Sigel, P. E. Walkemeyer, B. P. Trease, S. P. Magleby, L. L. Howell, J. Mech. Des. 2013, 135, 11.
8. Sareh, P. et al. (2018) ‘Rotorigami: A rotary origami protective system for robotic rotorcraft’, Science Robotics, 3(22), p. eaah5228. Available at: https://doi.org/10.1126/scirobotics.aah5228.
