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摺紙是一種古老的藝術形式，它的簡單和優雅促使研究人員探索其在材料世界的應用。
西北工程學院的Horacio Espinosa和Sridhar Krishnaswamy以及喬治亞理工學院的Glaucio Paulino等跨學科團隊的新研究旨在推進這種摺疊結構的創造和理解，應用範圍從軟機器人到醫療設備到能量收集器。
受摺紙的啟發，機械超材料（具有由其結構而非成分定義機械性能的人工結構）已經獲得了相當大的關注，因為它們有可能產生可部署和高度可調整的結構和材料。
但人們不知道的是，哪些結構集成了形狀恢復性、明顯的定向機械性能和可逆的輔助性，這意味著它們的橫向尺寸可以增加，然後在逐漸擠壓時減少。儘管一些三維摺紙結構已經通過增材製造生產出來，但實現理想的紙質摺紙所顯示的摺疊特性仍然是一個挑戰。
利用納米級效應進行摺紙設計，來自麥考密克工程學院和喬治亞理工學院的研究團隊試圖回答這個問題。他們製作了小型的、3-D的、摺紙構建的超材料，成功地保留了最好的特性，而不需要藉助於人工製品來實現摺疊。
"所創建的結構構成了最小的製造摺紙架構超材料，表現出前所未有的機械性能組合，"教授Espinosa說。"我們的工作表明，合理設計超材料，具有很大程度的形狀恢復性和方向依賴性的剛度和變形，使用摺紙設計是可能的，而且摺紙的可摺疊性使材料最初膨脹和隨後橫向收縮的狀態（可逆的輔助性），這樣的特性有望影響涵蓋納米、微觀和宏觀尺度的廣泛領域的許多應用，利用摺紙組件的內在可擴展性。"
"在幾何學的指導下，摺紙超材料的縮放和微型化本身以及其天然實現的前所未有的多功能性令人激動，"喬治亞理工學院Paulino說。
"只有將摺紙設計、具有納米級解析度的3-D雷射列印和原位電子顯微鏡機械測試相結合的跨學科努力，才能揭示我們的工作所展示的前所未有的性能組合及其對未來應用的潛在影響。"Paulino補充說。
"就像自然界僅用幾種材料體系就架構出了各種各樣的結構一樣，摺紙讓我們可以沿著不同的方向設計出具有獨特物理性能的彈性結構部件，"機械工程教授Krishnaswamy說。
"我們可以設想基於摺紙的軟微機器人，沿著一些方向是剛性的，以攜帶有效載荷，同時保持其他程度的靈活性以進行運動。利用可逆的輔助性和大變形的摺紙，金屬材料可以帶來多功能應用，從可部署的微型外科手術器械和醫療設備，到能量轉向和收穫，"西北大學智能結構和材料中心主任Krishnaswamy補充道。
"有許多可能性，"Espinosa說。"一個是用陶瓷和金屬材料製造摺紙結構，同時保留納米級的尺寸，以利用結構的機械響應中的尺寸效應，導致單位體積和質量的優越能量耗散。另一種是使用壓電聚合物，可以形成能量收集器，可以驅動傳感方式或為微型外科工具提供動力。"
該研究 《Folding at the Microscale: Enabling Multifunctional 3-D Origami-Architected Metamaterials》 發表在7月27日的Small上。