文/陳根
受日本Kirigami摺紙藝術的啟發，來自哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的一個研究小組設計了一種可以控制氣球並將其塑造成預先編程形狀的材料。
該系統使用kirigami板（一種帶有周期性切口的薄片）嵌入充氣裝置中。當氣球膨脹時，kirigami薄膜上的切口引導著氣球的生長，允許在某些地方膨脹，在其他地方收縮。研究人員不僅能夠在全球範圍內控制擴張，以製造大尺度的形狀，而且能夠在局部產生小特徵。
研究小組還開發了一種逆向設計策略，一種算法可以找到kirigami充氣裝置的最佳設計，這種充氣裝置在充氣時會模仿目標形狀。
在kirigami紙上的單獨切割有助於氣球的更大形狀，就像像素有助於在2D表面上形成圖像。研究人員發現，通過調整這些切割的幾何參數，他們可以控制和嵌入複雜的形狀。通過改變像素的兩個參數，研究人員就可以將各種不同的瘋狂形狀編入kirigami氣球中，包括彎曲、扭曲和膨脹。這是一種自下而上的方法，首次利用了材料的彈性，而不僅僅是運動學。
利用這些參數，研究人員開發了一種反向算法，可以混合和匹配不同寬度和高度的像素，或者完全刪除某些像素，以獲得所需的形狀。通過操縱單個像素的參數，研究人員能夠在一個明顯更小的尺度上調整形狀。為了證明這一點，他們設計了一個氣球來模擬壁球的形狀，氣球的側面有典型的凸起和隆起。
通過控制kirigami氣球各個層面的膨脹，研究人員複製出了各種各樣的目標形狀。研究人員還製作了葫蘆、鉤子和花瓶形狀的kirigami氣球，證明這種方法非常普遍，可以模擬任何給定的形狀。
當然，除了炫技，可編程形狀氣球的開發背後有更為深遠的意義，即為形狀變形裝置提供了一個新的平臺，可以支持創新的醫療工具、執行器和可重構結構的設計，從微微創手術裝置到空間探索的宏觀結構，可以說，該工作為多尺度結構的設計奠定了基礎。
而有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《先進材料》（Advanced Materials）期刊上。