剪纸艺术（kirigami）是折纸的一种变体，涉及对纸张进行剪切和折叠。
科学家将剪纸艺术的这些原理应用于三维材料，以制造能够变形的结构。
单个三维剪纸单元相互堆叠，每个单元都能形成多种不同的形状。
科学家认为，这种变态系统可用于多种应用，例如机器人设备和教育玩具。
借鉴剪纸艺术的三维材料，可以构建出能够变形为多种不同结构的构造。
研究人员设想其应用范围涵盖从建筑到机器人技术等领域。
“我们开发的这一系统受到变态发育的启发，”北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授、该项研究论文的通讯作者殷杰（Jie Yin）说道。“在自然界中，动物的变态发育会改变其基本形态。我们创造了一类材料，可用于构建能够改变其基本结构的构造。”
剪纸艺术是殷杰团队研究工作的基本概念。剪纸艺术是折纸的一种变体，涉及对纸张进行剪切和折叠。但是，传统剪纸艺术使用的是二维材料，而殷杰将相同的原理应用于三维材料。
剪纸材料
该变态系统始于单个三维剪纸单元。每个单元本身即可形成多种形状。而且这些单元具有模块化特性，可以相互连接，形成日益复杂的结构。由于单个单元本身能够形成多种形状，并能以多种方式与其他单元连接，因此整个系统可以形成多种多样的结构。
“想想用传统材料能建造什么，”殷杰说道。“现在设想一下，如果每个基本构件都能以多种方式变形，又能建造出什么。”
殷杰的实验室此前已证明一个类似的概念，即三维剪纸单元相互堆叠。在该系统中，这些单元可用于组装结构，但结构之后也可以被拆解。
该变态系统需要将剪纸单元实际连接起来。换言之，一旦这些单元相互连接，便无法再分离。然而，它们所构成的较大结构能够变形为多种不同的结构。
“我们的第一套剪纸系统与变态系统之间存在两大主要区别，”殷杰解释道。
“第一套剪纸系统的单元可以组装成结构，之后再拆解，这是一项优势。然而，当单元组装完成后，该结构无法变形。由于单元的侧面并非刚性且固定为90度角，组装后的结构可以弯曲和移动，但无法从根本上改变其几何形状。”
“变态剪纸系统不允许拆解结构，”殷杰说道。“而且，由于每个立方单元的侧面都是刚性且固定为90度角，组装后的结构不会有太大的弯曲或挠曲。然而，成品结构能够变形为不同的结构。”
结构完整性
在概念验证测试中，研究人员证明，变态系统能够构建出多种不同结构，这些结构能够承受显著的重量，同时保持其结构完整性。
这种结构完整性十分重要，因为殷杰认为建筑是变态系统的一种潜在应用。
“如果将这一方法扩大规模，它可能成为新一代建筑材料的基础，用于建造可快速部署的结构，”殷杰说道。“想想疫情期间不得不临时扩建的医疗单元，或是灾后对应急住房庇护所的需求。”
什么是青年科学家社群？
研究人员还认为，变态系统可用于制造多种机器人设备，这些设备能够变形以应对外部刺激或执行不同功能。
“我们还认为，该系统可用于开发新系列玩具——尤其是能够帮助人们探索与物理和工程相关的基础STEM概念的玩具，”殷杰说道。“我们愿意与行业合作伙伴合作，共同探索该系统的这些及其他潜在应用。”
该论文发表于期刊Materials Today Physics。该研究工作得到了美国国家科学基金会的支持。
