1. 引入了一种3D模块化kirigami方法来设计多功能多维超材料；
2. 该超材料由相同多自由度模块的组合组装而成，但具有不同的转换配置；
3. 铰接立方体模块的闭环连接提供了一个多自由度机构，以转换为多功能子模块；
4. 不同子模块之间的互补转换配置以及无缝榫卯连接方法能够组装、拆卸和重新组装成各种可重复使用或新形式的3D超材料用于材料可持续性和下一级可重构性，这在大多数最先进的不可分解体系结构材料中无法实现。
剪纸是一种古老的剪纸艺术，作为最近出现的一种新方法，可以构建具有剪纸赋予的新特性的超材料。然而，由于切割单元的平面连接约束，大多数研究仅限于具有特定形式和有限可重构性的基于薄片的二维剪纸超材料。
近日，北卡罗来纳州立大学Jie Yin与耶鲁大学Qiuting Zhang团队以题为“3D Transformable Modular Kirigami Based Programmable Metamaterials”在《Advanced Functional Materials》上报道了一种3D剪纸超材料。通过将块状材料切割成空间闭环连接的切割立方体，引入了3D模块化剪纸以构建一类新的3D剪纸超材料。该模块具有多个自由度，可以转换为多功能的不同子构建块。它们的整合组装创造了大量具有不同结构和独特性能的可重构和可拆卸超材料，包括可重构一维柱状材料、具有手性相变的二维晶格状超材料，以及具有3D拉胀行为的3D无挫折多层超材料和可编程变形模式。本研究将kirigami超材料的设计空间从2D扩展到3D。
图1：通过刚性和柔性模式的3D可转换模块kirigami。
(a-c)3D模块化kirigami的示意图。在(a)中，实心长方体首先由四个非贯穿切割平面切割成八个相同的立方体，通过弹性扭转铰链(以黄线突出显示)连接，以允许通过刚性旋转模式(b)在三维中重新配置，然后挤压以生成连接的薄壁立方体(c)，允许通过薄壁剪切的软模式变形挤压立方体。γij是两个相邻立方体i和j之间的二面角。(d-f)其八个代表性的组态状态通过三种不同的过渡路径通过固态模式和软模式进行转换。在(d)中，路径1没有开口切口；在(e)段中，所有切口均打开的路径2；在(f)中，路径3中有两对立方体(立方体5和6，立方体8和(1)结合在路径2中。(g)在(e)中过渡路径2期间泊松比vxy和vxz相对于开口角0≤γ12/2≤π/2的剖面。顶部插图：泊松比与γ12/2剖面的缩放视图。底部插图：沿三个轴向的标称应变剖面与γ12/2。(h)通过重新排列中间四个立方体的方向，三个衍生3D基本模块的示例。(i)在(h)中示例的导出3D模块中，通过围绕x轴和y轴的软剪切模式重新配置多个结构形式。
图2：通过整合模块组装的周期性一维柱状和二维晶格状超材料。
(a-b)通过垂直堆叠相同的构建块(状态4在(a)和状态8在(b))而无需粘合的1D柱状超材料原型。创建的一维超材料可通过刚性旋转或软剪切模式以单自由度重新配置，以关闭或打开孔隙(a)，而在(b)中，在两种变形模式锁定的情况下，其不可变形。(c)二维点阵超材料，通过具有互补拓扑结构的变换模块的平面内细分。(d)在单轴压缩下，通过相同填充夹杂物但不同立方取向的二维超材料中的可调谐变形手性。i、ii)二维超材料作为基体，由具有均匀立方取向的组装态4模块组成，在压缩下表现出以基体(nc)为中心的变形手性。iii，iv)用具有不同立方取向的硬夹杂物填充基体后(插图)，变形手性中心从基体转移到刚性夹杂物(nc)。v、vi)用具有相同立方取向的软夹杂物填充基体后，转变为非手性结构(插图v)。夹杂物在iii和v中以黄色突出显示。
图3：三维准周期超材料。
(a)中国古代建筑中榫卯接合法(也称为榫卯)概念的示意图，用于三维建筑材料的无缝装配。(b)通过中国榫卯连接技术，通过插入紧密配合的方柱阵列(两端为榫卯)填充2D组装材料层(与图2c(ii)相同)的空隙(榫卯)，构建多层建筑超材料的示意图。(c)通过操纵铰链位置(中间)，由两个线性铰链基本kirigami模块(状态0)组成的两种具有代表性的方柱设计。两个柱具有相同的结构形式，但在顶部、中部和底部段的变形模式不同。列类型1(，+，)只能通过剪切体素化立方体(左)使其中间部分变形。在柱类型2(+、+、+)中，所有三个线段都可以独立变形(右侧)。(d)以不同旋转自旋值(nix，niy，niz)为特征的(c)中2型柱的组合变形模式。(e)将组装的3D架构映射到简化的旋转框架，其中(nix、niy、niz)分别是沿x、y和z轴的旋转旋转。nic=niz是2D材质层中的旋转旋转。(f)基于纸板的三层超材料原型，由三层662D材料和两层23方柱组成(与(a)相同的柱排列，旋转配置为(nix，niy，niz)=(1，1，1)。组合的方柱(+、+、+)与(e)相同。(g) (f)中每个2D材质层和方形柱层(模式1)之间的局部独立变形模式演示。(h-j)仅通过变形柱(模式2，(h))、仅通过变形2D材料层(模式3，(i))进行横向压缩、通过变形所有层(模式4，(j))进行组合垂直和横向压缩，展示其在垂直压缩下的全局协同变形模式。(k)三维体系结构材料的组合变形模式总数(∑)，其中N层二维材料零件与柱型(+，+，+)桥接。
图4：三维超材料的力学性能。
(a)通过模块化组装，由2个2D材料和2个带有变形图案(-，+，-)的柱组成的三层超材料原型。(b)立方体剪切受压柱中的五种变形模式：四种垂直压缩模式(模式1、2、3和4)和一种剪切模式。(c)三维超材料中对应的五种变形模式为柱内组合定向剪切和一种顺序变形模式。(d-f)不同变形模式下纸板原型的相应机械性能表征(d)通过平均350次压缩试验，在压缩模式14和剪切模式下，试验压缩力F与位移u曲线(e)在6.7%、37.3%、73.3%和86.7%的四种压缩应变下，五种变形模式下的相应测量结构刚度(f)第50次、第200次和第350次试验顺序变形模式下的试验力-位移曲线，显示四阶段变形和几乎重复的弹性变形。(g)3D多材料打印原型(左)及其压缩和剪切模式(右)。软铰链以黑色高亮显示，硬立方体面以白色高亮显示。(h)剪切和压缩模式下3D打印原型的实验力-位移曲线。
文章信息：
Li,Y., Zhang, Q., Hong, Y., Yin, J., 3D Transformable Modular Kirigami Based Programmable Metamaterials. Adv. Funct. Mater. 2021, 2105641.
https://doi.org/10.1002/adfm.202105641
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