北卡罗来纳州立大学的一个工程师团队设计了一种聚合物“中国灯笼”，通过压缩或扭转，它能迅速弹变为多种稳定的三维形状——包括灯笼、陀螺等。通过添加磁性层，他们实现了对变形过程的远程控制，使这些“灯笼”能够用作抓取器、过滤器或可展开机构。
为了构建这种灯笼结构，研究团队从一张切成菱形平行四边形的薄聚合物片开始。然后，他们在薄片中心切出一系列等距的线条，形成由顶部和底部的材料实心条带连接的平行条带。当这些顶部和底部条带的末端连接在一起时，薄片会自然折叠成圆形的灯笼状形状。
“这种基本形状本身具有双稳态特性，”该研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程教授尹杰说，“换句话说，它有两种稳定形态。当然，它在灯笼形状下是稳定的。但如果你压缩该结构，从顶部向下按压，它会慢慢开始变形，直到达到一个临界点，此时它会迅速突弹成第二种稳定形状，看起来像一个陀螺。在陀螺形状下，该结构储存了你用来压缩它的所有能量。因此，一旦你开始向上拉动该结构，你会达到一个点，此时所有能量一次性释放，使其非常迅速地弹回灯笼形状。”
“我们发现，通过对形状施加扭转，将灯笼顶部或底部的实心条带向内或向外折叠，或者这些操作的任意组合，我们可以创造出许多额外的形状，”该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学前博士生、现任宾夕法尼亚大学博士后研究员洪耀烨说，“这些变体中的每一个也都具有多稳态特性。有些可以在两个稳定状态之间来回突弹。其中一个具有四个稳定状态，具体取决于你是在压缩结构、扭转结构，还是同时压缩和扭转结构。”
研究人员还在底部条带上附着了一层薄薄的磁性薄膜，从而赋予了灯笼结构磁控能力。这使他们能够利用磁场远程扭转或压缩这些结构。他们展示了该设计的几种可能用途，包括一种可以无害捕捉和释放鱼类的轻柔磁性抓手、一种在水下开启和关闭的流量控制过滤器，以及一种突然向上伸展以重新打开塌陷管道的紧凑形状。文章下方提供了实验视频。
为了更好地理解和预测灯笼结构的行为，团队还建立了一个数学模型，展示了每个角度的几何结构如何影响最终形状以及每个稳定构型中储存的弹性能量大小。
“这个模型允许我们对想要创建的形状、其稳定性以及当储存的势能转化为动能时能产生多大的力进行编程，”洪说，“所有这些对于创造能够执行预期应用的形状至关重要。”
“展望未来，这些灯笼单元可以组装成二维和三维结构，在变形机械超材料和机器人技术中具有广泛的应用前景，”尹说，“我们将对此进行探索。”
论文《利用储存弹能在独立带状簇元单元中实现可重编程的突弹形态发生》于10月10日发表在《自然-材料》期刊上。该论文的合著者包括北卡罗来纳州立大学的博士生周才智和秦海涛，以及北卡罗来纳州立大学前博士生、现任宾夕法尼亚大学博士后研究员的迟银丁。
这项工作得到了美国国家科学基金会2005374、2369274和2445551号拨款的支持。