据外媒报道，新加坡国立大学（National University of Singapore）研究人员提出新型可展开结构构建技术，使构件能从紧凑的折叠状态扩展为具有完美光滑表面的结构。相关论文发表于期刊《Nature Communications》。

（图片来源：nature.com）

在航空航天、应急和医疗应用领域，利用受折纸启发折叠机制的工程系统已成为开发紧凑和功能性设计的焦点。然而，传统厚板折纸设计存在一个关键缺陷。谷折处的‌沟槽与间隙会破坏结构表面连续性‌，使其无法满足需要‌连续无缝表面‌的应用。这项研究由新加坡国立大学Rui Peng和特拉华大学（University of Delaware）Gregory S. Chirikjian领导，旨在解决这一长期存在的挑战。

Chirikjian教授表示：“现有方法通常会导致‌结构复杂化或无法保证表面无缝性，这严重限制了其实际应用。这项研究旨在突破这些技术瓶颈，扩大厚板折纸技术的应用范围。”

消除而不是添加

研究人员开发了一种似乎违背传统工程逻辑的创新方法，其核心在于‌移除而非添加构件。在整个结构中，三个面板通过两条谷折痕（凹折）连接形成局部区域。研究人员通过移除中间面板，同时延伸两侧面板，成功解决了展开结构中的间隙问题。

该方法的成功源于‌折纸结构固有的过度约束特性。研究者通过‌选择性移除特定面板实现更简单的设计，同时保留结构功能。其核心突破在于满足特定几何约束，其中通过两个关键步骤来确保运动兼容性。Chirikjian教授表示：“首先，该结构基于刚性折纸管状结构，必须满足某些对称几何条件。其次，在选择性地移除部分面板并延伸其相邻面板后，延伸长度需满足与面板厚度相关的特定几何约束。”采用严格的数学方法可确保即使表面间隙消除后，该结构仍能按预期实现折叠功能。

多功能性和可扩展性

研究人员通过构建多种几何构型的可展开结构，证明了其设计策略的多功能性。这表明该结构具备多尺度适用性。对于大型建筑应用，该结构可用于可展开的体育场穹顶、防水屋顶系统和空间望远镜。在消费产品层级，可用于制造活顶汽车（convertible car）的部件。另外，在微尺度领域，该结构在为外科诊疗设计的软体机器人系统中价值巨大。Chirikjian教授表示：“这项研究提出的可展开结构设计方法具有普适性。它不局限于特定应用，适合多样化用例。”

研究人员还开发了充分减少‌顶层面板（黄色）数量的方法‌，在保持功能性的同时简化制造流程。这为工程师提供了根据需求定制结构的灵活性。

展望未来

通过制作3D打印原型，研究人员验证了其设计能够有效折叠并扩展为无缝表面。顶部的黄色表面在展开状态下完全无缝，下方的蓝色面板则充当支撑结构。Chirikjian教授表示：“这些结构对材料的要求并不严格，因此材料选择范围很广。然而，制造和装配技术在决定结构性能方面起着关键作用，尤其当涉及大量互联接合部（interconnected joints）时。”

这项研究代表着实现连续无缝表面的关键工程步骤，为工程师们提供适合多领域应用的实用化解决方案。