近日，学院力学系王清远教授/蒋文涛教授团队乔川/田晓宝课题组在剪纸超材料领域取得新进展，相关成果“Inverse Design of Kirigami through Shape Programming of Rotating Units”发表在物理领域国际顶尖刊物《Physical Review Letters》。四川大学深地科学与工程教育部重点实验室为论文第一单位及通讯作者单位。学院力学系青年教师乔川博士为论文第一作者，学院力学系田晓宝教授和麦吉尔大学Damiano Pasini教授为论文共同通讯作者，王清远教授、蒋文涛教授为合作作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重大科技专项、四川省科技计划、the Canada Research Chair Program、NSERC等项目的资助。
剪纸是中国最古老的传统民间艺术之一。受剪纸艺术启发形成的剪纸超材料，具有超常的平面与三维曲面变形能力，在可展开结构领域具有极大的应用潜力。然而，剪纸超材料内部包含的大量旋转单元与几何约束，使得剪纸超材料的分析与设计十分困难，目前只能通过复杂的计算设计方法才能实现针对给定任意目标形状的逆向设计。如何破解剪纸变形的物理机制，进而简化剪纸超材料的设计方法，是本领域重要的基础科学问题。
图1 剪纸单元整体形状与剪纸超材料展开变形的关系
针对这一难题，该研究开创性地将固体力学中应变的概念引入剪纸超材料设计，发现了剪纸单元形状与剪纸超材料展开变形的内在关系(图1)，直观地揭示了超常变形能力背后的物理机制，并以此提出了一种纯几何的设计方法，无需进行复杂的数值计算，仅需对剪纸单元形状进行编程，即可直接实现任意给定目标形状的变形设计。
图2 剪纸超材料收缩形状、展开形状以及内部运动轨迹的逆向设计
课题组利用该几何设计方法，成功实现了剪纸超材料的收缩形状、展开形状以及内部运动轨迹的逆向设计（图2），充分展示了该几何设计方法对于不同类型变形目标的通用性。本研究成果通过传承千年的剪纸艺术思想与前沿的复杂变形结构的有机结合，打破了现有剪纸超材料设计方法对复杂数值计算的依赖，为软体机器人、智能可变形建筑、航天可展结构、下一代可穿戴设备等战略新兴领域开辟了新的设计路径。该研究被选为“编辑推荐”（Editors’ Suggestion，约1/6的文章入选）在《Physical Review Letters》期刊官网首页进行亮点展示。
图3 《Physical Review Letters》期刊官网首页对本研究进行的亮点展示
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.176103
