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  在自然界，許多植物和動物都依靠“瞬間變形”完成關鍵動作：捕蠅草能在不到 0.1 秒內合攏葉片捕捉獵物，貍藻能在毫秒之間吸入昆蟲。這些驚人的動作并非依靠復雜的肌肉控制，而是通過先儲存彈性能量、再在觸發時瞬間釋放完成的。這種“彈跳式”變形既快、又可逆、還極其節能——是自然界最精妙的結構智慧之一。受到這種生物“彈跳式”變形的啟發，科研人員多年來嘗試在人工材料中復制類似的機制， 但整體仍受限于形態數量少、設計空間窄、制備后難以修改等問題。尤其在三維自支撐結構中，要像自然界那樣實現多樣化、可逆的快速形變，一直是工程和科學界的共同挑戰。

  2025年10月10日，美國北卡羅來納州立大學尹杰教授課題組在Nature Materials 期刊在線發表題為 “Reprogrammable snapping morphogenesis in ribbon-cluster meta-units using stored elastic energy” 的研究論文。他們提出了一種全新的解決方案——“燈籠狀帶簇超材料單元”。這是一種能在三維空間中通過彈性能存儲和釋放來實現多穩態形變的結構。通過壓縮或扭轉，單個單元就能展現出超過十三種不同的穩定形態，并可在單穩態、雙穩態、三穩態甚至四穩態之間以及十余種不同三維形態之間快速切換，其形變還可通過磁場實現遠程、非接觸控制。這一發現不僅突破了傳統超材料設計的局限，也為未來的軟體機器人、可展結構和流體控制器件打開了新思路。論文第一作者為洪堯燁博士。

從一張薄膜到可編程多穩態燈籠

  研究團隊提出了一種簡潔高效的“剪與粘”制備方法：將聚合物薄片（如 PET 膜）裁剪成菱形平行四邊形，并在中部切割出多條平行細帶。上下兩端的實心邊帶再進行連接，即可形成一個自支撐的三維燈籠結構。看似簡單的結構，卻蘊含豐富的幾何約束與能量機制。研究發現，結構的第一個歐拉角 β（即帶條拼接角度）控制了系統初始的儲能格局。

  當 β = 0 時，條帶保持平直、能量最小；隨著 β增大，條帶被迫彎曲與扭轉，儲存彈性能量，并在壓縮時觸發“彈躍”轉變。通過調控 β，單個單元即可在穩定、單穩態、雙穩態之間自由切換，實現可預測的能量景觀與形態路徑（圖1）。

圖1:多穩態剪紙燈籠

翻轉實現可重編程的形態進化

  更令人矚目的是，該系統在制備完成后依然具備機械可重構性。研究團隊引入第二個歐拉角α（翻轉角），使得結構的上下邊界可以在里外翻轉間重新分配儲能。通過六種排列組合翻轉上下邊界，單個單元可以在完全不同的三維形態之間自由切換——如“花瓶”“沙漏”“錐體”等（圖2）。每一種形態在壓縮，扭轉，或者同時壓縮和扭轉作用下，都有不同的能量曲線和變形模式。這意味著，翻轉角α的調節讓結構具備了可重構、多態演化的能力。換言之，α 賦予了超材料“可重寫的機械代碼”，讓結構具備持續進化與功能再編程的能力。

圖2： 可重構，可重編程燈籠

形態“路線圖”

  研究團隊進一步引入了第三個歐拉角，扭轉角γ，用于調控整體扭轉。γ 的變化會改變形態切換的能量屏障，從而觸發不同的“彈躍路徑”：例如從“花瓶”跳變為“沙漏”，或轉化為“陀螺”。研究人員基于三角聯動關系，繪制了一個“形態–失穩相圖”。這張圖就像一幅三維路線圖，標示出不同角度組合對應的形態分布。借助它，可以從目標形態反推設計參數，實現結構的“逆向設計”。從此，復雜的彈跳變形不再依賴反復實驗或直覺，而可像導航一樣精準規劃。

圖3: 形態–失穩相圖

遠程磁控與仿生應用

  為了讓燈籠“動”起來，研究團隊在結構上加了一層薄薄的磁性膜。這樣一來，只需改變外部磁場方向，就能讓它在 0.06 秒內迅速閉合成“花苞”，再在 0.04 秒內重新綻放。他們展示了多種典型應用（圖4）：

• 非侵入式仿生抓取器：可在水下快速包裹并抓取魚類或柔軟生物體，實現溫柔而高效的捕獲與釋放；

• 可控流體閥門：結構在“花瓶態”時流體可通過，跳變為“沙漏態”時則可瞬間關閉通道，實現快速流體調控；

• 可展開機械元件：緊湊結構可在毫秒級時間內釋放儲能，迅速膨脹至高大形態，用于打開塌縮管道或柔性封裝。

  整個系統無需復雜的氣動或電控管線，僅依靠磁場即可實現高效、可逆的動態形變，展現出極高的實用潛力。

圖4:遠程磁控機械軟抓手和流控的應用

從數學模型到可編程力學

  為了揭示這種燈籠形變背后的原理，團隊還構建了一個數學模型，揭示結構角度參數與能量分布、形態轉變之間的定量關系。“這個模型讓我們能夠預先設計目標形狀、調節穩定性，并控制能量釋放的強度，”論文第一作者洪堯燁博士介紹說。“這些能力對于實現功能化設計至關重要。”

  尹杰教授進一步指出：“我們的研究不僅復制了自然界的彈躍失穩現象，更建立了可重編程的力學設計框架，為智能材料、軟體機器人及可展結構的研發提供了全新思路。”

展望：讓結構具備“物理智能”

  這種“燈籠狀帶簇超材料”用極簡的幾何構造實現了復雜的形態切換， 為可多模態重構智能結構提供了新的力學框架。未來，它或將被拓展到更大尺度、更復雜的系統，比如通過多個單元組成“燈籠陣列”，實現群體式協同變形， 讓材料具備更高層次的“結構智能”；或結合液晶彈性體、高分子凝膠等材料，讓結構具備環境感知與自適應能力。也許未來的機器人或機械電子設備，不再靠程序運行，而是靠結構本身思考與行動。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02370-z

Join Jie Yin Lab – Ph.D. Fall 2026

北卡羅來納州立大學尹杰教授課題組誠邀優秀博士生加入！

研究方向：

• 物理智能軟體機器人

• 形變機械超材料

• 醫療健康與可持續應用

為什么加入該團隊？

• 實驗室成果豐富：90+頂尖期刊論文（PNAS、Science Advances、Nature Communications、Nature Materials、Advanced Materials）

• 導師榮譽：美國白宮總統青年科學家與工程師早期成就獎（PECASE）、美國國家科學院PNAS Cozzarelli獎、NSF CAREER獎及Extreme Mechanics Letters青年科學家獎。

• 跨學科創新平臺，探索智能材料與機器人前沿

• 機會：與國際頂尖團隊合作，參與世界領先科研，培養未來科研與工程能力

申請截止：2025年12月15日，2026年秋季入學

詳情/申請：https://jieyin.wordpress.ncsu.edu/opening/