麦吉尔大学的研究人员提出了一种全新的折纸方法，可以把原本平坦的薄片折叠成光滑的曲面壳体。这种壳体不仅能形成复杂的三维形状，还能根据需要在柔软灵活和刚性承载两种状态之间切换。通过设计特殊的折纸图案，并在结构内部穿插类似电缆的腱索元件，研究团队能够精确控制最终三维形状及其整体刚度。
研究人员将这种结构称为“二重曲面透镜盒”，认为它有望推动多种技术的发展，例如临时应急帐篷、可变形机器人以及智能织物等。相关成果由 Morad Mirzajanzadeh 和 Damiano Pasini 合著，论文题为《具有可重编程刚度的光滑二重曲面折纸壳体》，已发表在《自然通讯》上。
机械工程教授、论文合著者 Damiano Pasini 指出，目前的可折叠结构往往存在明显的权衡：
- 如果结构表面光滑、曲线优美，通常会比较柔软、缺乏支撑力；
- 如果结构足够坚固、刚性强，则往往呈现多面体或锯齿状外观，使用时不够舒适，而且一旦成型后形状难以再调整。
这对许多需要兼顾舒适外形和可靠承载能力的技术构成了限制，例如可穿戴支撑装置、医疗植入物、软体机器人以及可展开的空间结构等。
为突破这一瓶颈，研究团队设计了一种带有曲线折痕的折纸图案，使平面薄片可以折叠成光滑的二重曲面，如球面或环面（类似甜甜圈的形状），并且在需要时可以“锁定”成刚性承载状态。通过在壳体内部加入可调节张力的腱索，同一结构在不改变形状和材料的前提下，就能在极软和高刚度之间进行“重编程”。
可调节腱索控制刚度
新提出的折纸图案将曲线折痕与直线折痕结合使用，使平面薄片在折叠后形成连续光滑的曲面，而不是传统折纸中常见的多面体外观。
研究人员首先从目标曲面形状出发，例如球面、环面或类似花瓶的曲面，然后利用微分几何中关于折纸铺设和可展开曲面的理论，并结合数值优化方法，反推出对应的折痕布局。这样一来，当薄片按照这些折痕折叠并锁定后，折纸壳体就能逼近预设的几何形状。
在实验中，团队使用激光切割纸板薄片，制作出这些折痕图案，并将其折叠组装成壳体。随后，他们在预先选定的位置穿入细腱索（即“腱”），形成内部可调节的“电缆”网络。
“通过收紧或放松这些腱索，我们测量了壳体刚度的变化，证明结构可以从松垮柔软的状态，转变为刚性且能够抵抗扭曲和弯曲的状态。”Pasini 介绍说。
研究团队还通过力学理论分析、刚性折纸模型以及几何模拟，对实验结果进行了验证。这些模拟表明，折叠运动学是可行的，壳体在折叠和锁定过程中能够保持光滑的表面，同时图案具有可缩放性和可铺设性，便于扩展到不同尺寸和应用场景。
折纸超材料的“新设计范式”
Pasini 将这项工作视为折纸超材料领域的一种新设计范式。
“我们的方法为可展开、可自适应的承载曲面结构设计提供了新的路径。我们的研究挑战了一个普遍观念：要实现可调刚度，必须依赖复杂材料或外部系统。我们的结果表明，仅通过巧妙的几何设计，就可以完成大部分调控工作。”他说。
这一思路为未来的工程结构提供了新的可能：在保持外形光滑、舒适的前提下，通过内部几何和腱索布局，实现从柔软到刚性的连续调节，从而更好地服务于应急设施、医疗器械、机器人以及空间结构等多种应用。
