机械超材料是一种结构化的宏观结构，其几何排列方式具有独特的几何结构，从而具有独特的力学性能和变形模式。超材料的宏观特性取决于中观尺度晶胞的具体形状、尺寸和几何取向。经典的结构化晶胞，例如以拉伸为主的八面体桁架单元和以弯曲为主的开尔文晶格，已在诸多应用领域中得到探索，包括超轻系统、极端能量耗散和晶格断裂表征。手性，一个在多个领域中确立的概念，也已被用于创建材料系统。由手性晶胞组成的超材料能够实现独特的变形效应，例如应变与扭转的耦合。上述机械超材料假设所有晶胞之间存在完美的刚性连接；因此，变形运动学保持在几何线性区域内。相比之下，可重构组件，例如受折纸和剪纸启发的超材料，将运动扩展为有限变形，适用于涉及形状变形的应用。三维可重构性是通过将单元与沿平面内和平面外方向排列的柔性铰链连接起来实现的。然而，柔性连接的几何非线性为超材料引入了多个自由度，而超材料依赖于集成系统或外部刺激来驱动。此外，大多数可重构超材料侧重于单轴变形下的有效物理特性。具有易于驱动的单自由度机制的多模态组件可以促进材料和机器人功能之间的协同作用，正如本文所探索的那样。本文亮点1. 本工作建立了模块化手性超材料，由拉胀平面镶嵌和受折纸启发的柱状阵列组成，并具有解耦驱动。在单自由度驱动下，该组件可在0°至90°之间扭转，平面内收缩高达25%，平面外收缩超过50%。2. 通过实验和模拟，表明该组件的变形包括由旋转方形镶嵌主导的平面内扭转和收缩，以及由管状Kresling折纸阵列主导的平面外收缩。3. 演示了两种不同的驱动条件：自由平移下的扭转和自由旋转下的线性位移。该超材料基于高度模块化的组件构建，可实现可重新编程的不稳定性、局部手性控制、可调的负载能力和可扩展性。
图文解析图1. 由铰链镶嵌和受手性折纸启发的晶格单元组成的多模态超材料。a，标准弹性材料在施加扭矩时的扭曲变形。b，压缩状态下的代表性扭曲超材料3。c，由两个独立测试条件驱动的多模态变形机制，即自由平移下的扭曲和自由旋转下的线性位移。d，超材料组件在未变形配置（左）和变形配置（右）下的示意图。该组件由铰链镶嵌（蓝色和黄色）和受折纸启发的晶格单元阵列（红色和灰色）组成。L，边长；H，高度；φ ∈ [0°, 90°]，扭曲角；α ∈ [0, 1]，长度变化标量； β ∈ (0, 1]，高度变化标量。插图显示了组件中模块单元的手性分配。e，一系列具有运动学兼容几何形状的棒状晶格单元，例如4边形、6边形和8边形单元。f，两组具有可区分能垒的手性晶胞。acw，逆时针扭转；cw，顺时针扭转。g，单元单元的储存应变能与扭转角变化的关系。红色曲线和灰色曲线分别代表低能垒单元和高能垒单元的能量包络。能量计算基于方法“模拟”中定义的参数（红色和白色单元）。

图2. 使用具有自由平移的旋转致动器进行多模态变形的实验验证。a，按照旋转加载顺序（即逆时针扭转-83°，然后顺时针扭转83°，最后顺时针扭转83°）的四种代表性配置的示意图。 b，三层组件的机械测试。插图分别为从侧视图（上排）和正视图（下排）拍摄的代表性构型。比例尺，10 毫米。c，超材料在初始未变形构型下的层组成。d，测量的扭矩与扭转角曲线，并标明四种代表性状态。红色箭头表示测试期间施加的旋转顺序。e，组件边缘长度变化与累积扭转角（上排）以及组件高度变化与累积扭转角（下排）的关系，并将代表性测试数据点与理论运动学分析结果进行比较。

图3. 使用线性位移驱动和自由旋转进行多模态变形实验。a，详细的测试装置，显示边界条件和载荷。b，三种代表性构型。在每幅图中，垂直比例尺表示组件的高度变化率，弧形比例尺表示组件的扭转角。c，测量的力-位移曲线，并标明代表性状态。 d，组件边长变化与扭转角的关系（上）和组件高度变化与扭转角的关系（下）。

图4. 模块化组件多模态变形的替代模型仿真。a，扭转模拟装置。b，组件的变形快照（1）–（4）。c，扭矩与累积扭转角的关系曲线。插图为扭矩与扭转角的关系曲线，逆时针旋转定义为负值，顺时针旋转定义为正值。d，能量与累积扭转角的关系曲线。e，体积变化率与累积扭转角及快照（1）–（4）封闭体积的关系曲线。虚线表示由机械不稳定性引起的结构突变。f，压缩模拟装置。g，组件的变形快照（1）–（4）。h，力与位移的关系曲线。插图为扭转角与位移的关系曲线。i，能量与位移的关系曲线。 j，体积变化率与位移及快照封闭体积的关系曲线（1）–（4）。

图5. 用于创建可重新编程超
材料的即插即用策略。a，由三种类型的模块化偶极子组成的架构组件示意图，这些偶极子分别使用红色、白色和黄色树脂制成。b，三个 3D 打印偶极子分别处于展开和折叠状态。杆的直径为 1.5 毫米。c，左图，测量三个偶极子的载荷-位移曲线。稳定状态的位置用曲线上的蓝点标记。右图，偶极子储存的能量与位移的关系。能量通过计算载荷-位移图下的面积来确定。d，由 21 个模块化偶极子（黄色、红色和白色各 7 个）组成的六重组件的顶视图。该示意图提供了组装偶极子的说明。e，d 中组件的四种稳定状态。f，d 中组件的机械性能。左图，e 中测量的载荷-位移曲线，并带有四种代表性状态的标签。稳定状态 (1)、(2) 和 (3) 的峰值载荷分别标记为 1*、2* 和 3*。右图为组件的储能与垂直位移的关系。d-o，由同一组模块单元构成的各种组件配置，对应的稳定状态、测得的载荷-位移曲线和相应的能量图。比例尺，10 毫米 (e,h,k,n)。
图6. 多模态折纸超材料的应用范围。a，磁力机器人变压器。左图为运动模式（机器人运动，刚体）。中图为变压器模式（材料变形）。右图为变压器-运动组合模式。b，体温调节。在折纸阵列的面上采用光学材料（例如白色辐射冷却器和黑色太阳能吸收器），可以通过控制每种面片的面积分数来控制太阳能的加热量。折纸单元的折叠和展开状态还可以捕获不同厚度的空气，从而有效地控制对流热增益和损失（R1 > R2）。此概念适用于建筑物的温度调节。c，具有多个连接滞后的 Preisach 模型。d，非交换性。模块化手性组装体的双模态特性使其在扭转驱动下具有历史相关行为。e，可编程信息存储/加密的两个实例。左图为具有双稳态单元的阵列。右图为大型折纸组件，经全局驱动以达到所需的目标状态。人中具有广泛可重构性的复杂3D变换。