近日，南方科技大学系统设计与智能制造学院助理教授熊异、机械与能源工程系教授葛锜联合团队在Nature Communications上发表文章“Electrothermally controlled origami fabricated by 4D printing of continuous fiber-reinforced composites”， 提出了一种连续纤维增强复合材料4D打印折纸的精确部署控制策略，用于构建能够按需调控性能的，适用于多场景和多任务应用的高性能主动折纸。

该研究围绕主动折纸可部署结构，充分挖掘新兴的纤维复合材料增材制造技术潜能，通过结构设计巧妙地利用连续碳纤维高强度、能导电、传热好的特性实现“一石三鸟”，并提出了基于电-热-机械多物理场仿真模型指导的智能复合材料电控驱动策略，最终获得一种承载能力强、状态可重构、时空可调控、形性可调制的全新高性能电热折纸。研究成果丰富了主动折纸设计-制造-调控一体化理论与方法，为新型超材料结构、多模态机器人、智能可变形飞行器的发展提供了创新路径。

与传统组装响应材料方法制造的主动折纸不同，4D打印可以实现主动折纸的一体化成型，且其成本对折痕布局和材料分布的复杂性不敏感。目前，已经有很多基于形状记忆聚合物 (Shape Memory Polymer-SMP) 以及含有功能性填料的形状记忆复合材料的主动折纸通过4D打印构建成功。这些主动折纸大多只能在两种状态之间相互转换，即临时态和永久态，尚未开展对4D打印主动折纸形状变形的过程控制方面的研究，对其高度非线性部署过程的多物理场建模仍存在空缺，使得很多构型未被探索，很多潜力未被开发。此外，相应材料固有的低刚度特性同样限制了4D打印主动折纸的实际工程应用。

如图1所示，基于连续纤维增强复合材料3D打印技术，该团队通过设计纤维的空间布局从而实现了连续碳纤维增强复合材料折纸的制造，并在铰链处打印连续碳纤维用于电加热激励，通过控制激励电流的时间控制电热折纸锁定在任意构型，连续碳纤维的引入大大提高了折纸的力学性能，其中橡胶态的提升尤为显著，模量从2.0 MPa提升到了2.3 GPa。

图1 多功能连续碳纤维增强形状记忆聚合物4D打印的电热折纸

连续碳纤维在电热折纸中共起到三个作用，即板内的纤维起到力学增强作用，铰链内的纤维起到力学增强和热传导的作用，以及铰链上的纤维起到焦耳加热作用（图2）。该电热折纸可以在0.22 A的电流激励下，在20s内快速升温到材料的玻璃转化温度以上，纤维的引入大大提高了铰链处温度分布的均匀性，为电热折纸具有更高的形状回复率、更快的形状回复速度和更大的形状回复力提供了保证。

图2 连续碳纤维增强形状记忆聚合物展现出优异的电加热特性和形状记忆性能

为探讨连续碳纤维通电时间对电热折纸形状变形行为的影响，该团队建立了电-热-机械多物理场耦合的仿真模型并通过实验验证了模型的有效性（图3）。通过仿真建立了不同目标展开角度对应的加热时间的指导模型，并以飞机形状的折纸为例展示了具有复杂变形路径的部署过程，该折纸飞机可以实现时空控制，即展开角度可控、局部可控以及顺序可控。

图3 电热折纸的精确控制方法和原理

精确控制电热折纸能够实现可重构（图4）。在多物理模型的指导下，通过控制每个铰链的激励时间，同一个折纸条带可以部署到多种构型，包括单层、多层、以及超材料单胞构型。此外，通过巧妙的控制折纸条带的部署顺序，可以赋予折纸额外的功能，例如抓取。

图4 精确控制电热折纸的可重构特性及其功能性抓手

精确控制电热折纸的可重构特性使得能够通过操纵激励参数来设计具有可调力学性能的Miura折纸（图5）。不同的激励时间可以得到不同的三维构型，而不同的三维构型拥有不同的力学性能，其中结构刚度可以实现一个数量级的跨度。

图5 精确控制电热Miura折纸的力学性能调制

将具有可调力学性能的Miura单胞阵列，可以构建组合数字化架构材料，其力学性能可以根据结构设计产生不均匀分布的变形区域而编程（图6）。通过结构设计和电热控制，可以实现定制化力学行为，例如多平台和准零刚度行为。

图6 基于精确控制电热Miura折纸的组合数字化架构材料

精确控制电热折纸的时空可控特性还允许将多个具有不同几何设计的Miura单胞阵列（图7），实现模态可控和翼型可逆向设计的变厚度机翼。

图7 基于精确控制电热Miura折纸的可变厚度机翼

南方科技大学系统设计与智能制造学院2022级博士生王耀辉和南方科技大学与香港城市大学2020级联培博士生叶海涛为该论文的共同第一作者，南方科技大学系统设计与智能制造学院熊异助理教授和机械与能源工程系葛锜教授为论文共同通讯作者，南科大为论文第一单位。本研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金会、深圳市科技创新委员会和南方科技大学公共分析测试中心的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46591-3

供稿单位：系统设计与智能制造学院

通讯员：王慧

主图：李嘉慧

编辑：周易霖