图 多稳态折纸结构的图案设计与多稳态特性
在国家自然科学基金项目（批准号：52192631、51825503、52035008、51721003）等资助下，天津大学马家耀和陈焱教授团队提出了一系列具有多稳态特性的可扩展折纸结构，通过机构运动学分析揭示了该折纸结构从内向外的逐层延迟折叠特性对其多稳态产生的关键作用，并通过力学分析探究了该结构基于材料与几何参数的可编程多稳态特性。相关研究成果以“可拓展折纸结构的多稳态特性（Multi-Stability of the Extensible Origami Structures）”为题于2023年8月8日在线发表在《先进科学》（Advanced Science）期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202303454。
双稳态与多稳态结构可以在两种或多种稳定构型之间快速切换，已广泛应用于可重构机器人、执行器、MEMS、机械逻辑、机械存储器、机械信号传播等工程领域。非刚性折纸通常具有初始展平态与目标折叠状态这两个零能量状态，十分适合用于构造双稳态结构。然而在构建多稳态结构时，现有研究往往只能通过将多个双稳态单元进行一维串联、二维阵列以及三维空间排布来实现，很少有独立的折纸单元具有多个稳定状态，而且其稳态数量也很难通过折纸图案的扩展来进一步增加。
针对上述问题，研究团队在非刚性缠绕折纸的基础上，提出了一系列具有多稳态特性的可扩展四边形、六边形和八边形折纸结构。通过运动学分析和力学实验证明了该结构不同层之间的折叠行为具有高度的相似性但存在明显的相位延迟，这种延迟折叠特性产生了一个刚性折纸区间和几个离散的刚性折纸状态点，从而在单一结构中实现了随层数增加的多个稳定状态。此外，研究团队通过调控面板与折痕的刚度比实现了稳态跳转能垒的编程设计，并进一步通过增加多边形的边数降低了结构的最大应力，从而避免了在折叠过程中的材料失效。
该研究提出了一种独特而有效的多稳态结构设计方法，有望应用于大型柔性可展结构、软体机器人、机械计算和多功能超材料等工程领域。