能够精确部署控制并实现对其性能的按需调制的主动折纸在多场景和多任务应用中是非常理想的。尽管具有形状记忆复合材料的4D打印有望实现这种主动折纸，但它仍然面临着低承载能力和有限的可转换状态等挑战。
近期，南方科技大学系统设计与智能制造学院助理教授熊异团队联合机械与能源工程系教授葛锜团队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。主动折纸是通过专为连续碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料设计的基于熔融沉积成型（Fused Deposition Modelling-FDM）的3D打印机制造的（图1）。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。该工作以 “Electrothermally controlled origami fabricated by 4D printing of continuous fiber-reinforced composites” 为题发表在《Nature Communications》上（Nat Commun 15, 2322 (2024).）。文章第一作者是南方科技大学王耀辉博士生，南方科技大学与香港城市大学联培博士生叶海涛为该文章的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金委、广东省基础与应用基础研究基金委员会、深圳市科技创新委员会和广东省重点人才引进计划的大力支持。
图1 连续纤维增强形状记忆聚合物电热折纸复合材料的4D打印
该工作研究了连续碳纤维的通电时间对电热折纸变形行为的影响，并建立了多物理仿真模型，综合考虑了其变形过程的电、热和机械效应。通过控制电流输入时间将电热折纸锁定在中间状态。以飞机形折纸为例，图2展示了精确控制电热折纸的时空可控性（局部可控、展开角度可控以及顺序可控）。
图 2 飞机形状电热折纸有限元分析和实验的变形行为。
精确控制的电热折纸能够实现可重构。在多物理模拟的指导下采用不同的激励参数，可以精确控制电热折纸部署到多种构型，包括单层、双层结构和超材料单元构型（图3）。
该研究还展示了利用这种精确控制电热折纸的性能按需调制能力的一些潜在应用（图4）：力学性能可调的Miura折纸单胞、翼型可编程的变厚度机翼、以及力学行为可定制的组合数字架构材料。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46591-3
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