佐治亚理工学院和北京大学的研究者发现了一种常见幻灯片的高大上的使用方法：根据光固化液体聚合物制造自折叠的三维折纸结构。该研究已发表在4月28日的科学进展杂志上。

通过自折叠过程得到的小型折纸结构与硬币的对比。Credit: 煎蛋大触画师六翼，比原图更好看系列

这一技术将明暗形状的灰度图投影到盘子上或者两块载玻片中间的液体丙烯酸盐聚合物薄层上。混入聚合物中的光引发剂材料受到寻常的LED投影灯的照射，启动交联反应，形成固态薄膜。聚合物浸染的光吸收剂起到光线调控作用。由于光固化过程中聚合物网络演变和体积收缩之间的复杂反应，聚合物中接受光线较少的区域更容易弯曲。

当新创建的聚合物薄膜从液体聚合物中移出时，薄膜中由于差异收缩引起的内蕴压力导致薄膜开始折叠。为了得到最复杂的折纸结构，研究者对结构的两面均进行光照射。目前产生的折纸结构包括小桌子，胶囊，花，鸟以及高丽三浦折(miura-ori fold)，尺寸均为1.25厘米左右.

这种折纸结构可用于柔性机器人，微电子学，柔性执行器，机械超材料以及生物医学设备中。

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八面体。Credit: Mr. Zeang Zhao

佐治亚理工学院伍德拉夫机械工程学院的Jerry Qi教授说道：“我们方法的基本思想是利用光致聚合作用中的体积收缩现象。在特定类型的光聚合——前线光聚合中，接受光照一侧的液态树脂固化作用不断向靠内部一侧蔓延，从而创建了一个非均匀压力场，驱动薄膜沿着光路方向弯曲。”

该工作被认为是首个在图案化光聚合作用过程中，控制体积收缩创建自折叠折纸结构的应用。

Credit: 煎蛋大触画师六翼，比原图更好看系列

事实上，产生体积收缩现象的过程在聚合物的其他应用中是被认为有害的。

论文共同作者、北大教授方岱宁说道：“聚合物的体积收缩在复合材料制造和传统3D打印技术中，总被认为是有害的。我们的工作显示从另一个角度看待，这一现象也能变的很有用。”方岱宁教授现在为北京理工大学副校长。

为了制造能在各个方向弯折的最复杂的形状，研究者将图案化的薄膜进行翻转，在另一面进行交联反应。

credit: 煎蛋第六位画师Chon

佐治亚理工学院和北京大学的博士生Zeang Zhao(可能是交流生吧)说道：“我们提出了两种制造方法。第一种，直接将光学图案照射到一层液态树脂上，然后就得到折纸结构。第二种，将其翻转，再照射第二种图案。第二种的设计自由度更大。”

光照射薄膜的时间约为五到十秒，产生200微米厚的薄膜。Qi说道：“接受光照的区域变为固体，图案的其他部分仍为液体，然后就可从液态树脂中拿出来了。是不是十分简单。”

前线光聚合过程中聚合物薄膜从一侧不断向另一侧固化。由于光衰减很快，固化层始于光照表面，并向液体一侧蔓延。通过控制光照时间和光照强度，可以精确调控这一过程，这一方法已被用于制造微流体设备和微粒合成。

在该工作中，研究者使用了双丙烯酸聚乙醇酯，不过这一技术也适用于多种光固聚合物。研究中还使用了橙色的染料，不过其他颜色的染料也可以使用，产生不同颜色的结构。

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双面法。Credit: Mr. Zeang Zhao

为了验证以上概念，Zhao手动创建了ppt图案。要进行规模化反应，可以将系统与CAD工具相连接，产生更多精确的灰度图案。

Qi认为这一技术用于产生最大2.5cm尺寸的结构，“自折叠要求相对较薄的膜片，因此可能无法实现更大的结构。我们提出了一种简单的方法，可以将聚合物薄片折叠为复杂的三维折纸结构。该技术不局限于特定的材料，并且图案简单，任何人只要有ppt和投影灯就能实现。”

论文原文：DOI:10.1126/sciadv.1602326

本文译自 phys，由 CliffBao 编辑发布。

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