陈根：哈佛可编程气球炫技，探究背后更深远意义_风闻

文/陈根

受日本 Kirigami 折纸艺术的启发，来自哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的一个研究小组设计了一种可以控制气球并将其塑造成预先编程形状的材料。

该系统使用kirigami板（一种带有周期性切口的薄片）嵌入充气装置中。当气球膨胀时，kirigami薄膜上的切口引导着气球的生长，允许在某些地方膨胀，在其他地方收缩。研究人员不仅能够在全球范围内控制扩张，以制造大尺度的形状，而且能够在局部产生小特征。

研究小组还开发了一种逆向设计策略，一种算法可以找到kirigami充气装置的最佳设计，这种充气装置在充气时会模仿目标形状。

在kirigami纸上的单独切割有助于气球的更大形状，就像像素有助于在2D表面上形成图像。研究人员发现，通过调整这些切割的几何参数，他们可以控制和嵌入复杂的形状。通过改变像素的两个参数，研究人员就可以将各种不同的疯狂形状编入kirigami气球中，包括弯曲、扭曲和膨胀。这是一种自下而上的方法，首次利用了材料的弹性，而不仅仅是运动学。

利用这些参数，研究人员开发了一种反向算法，可以混合和匹配不同宽度和高度的像素，或者完全删除某些像素，以获得所需的形状。通过操纵单个像素的参数，研究人员能够在一个明显更小的尺度上调整形状。为了证明这一点，他们设计了一个气球来模拟壁球的形状，气球的侧面有典型的凸起和隆起。

通过控制kirigami气球各个层面的膨胀，研究人员复制出了各种各样的目标形状。研究人员还制作了葫芦、钩子和花瓶形状的kirigami气球，证明这种方法非常普遍，可以模拟任何给定的形状。

当然，除了炫技，可编程形状气球的开发背后有更为深远的意义，**即****为形状变形装置提供了一个新的平台，可以支持创新的医疗工具、执行器和可重构结构的设计，**从微微创手术装置到空间探索的宏观结构，可以说，该工作为多尺度结构的设计奠定了基础。

而有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《先进材料》（Advanced Materials）期刊上。