纸雪花、弹出式儿童读物和精美的纸卡不仅对工匠感兴趣。西北大学的一个工程师团队正在利用折纸实践中的想法来创建 3D 打印的复杂替代方案。

Kirigami 来自日语单词“kiru”(切割)和“kami”(纸)，是一种传统的艺术形式，其中纸张被精确切割并转化为 3D 物体。使用薄膜材料和软件来选择精确的几何切割，工程师可以从实践中汲取灵感，创建各种复杂的结构。

2015 年发表的研究显示了剪纸“弹出式”制造模型的前景。在这次迭代中，切割产生的带状结构是开放的形状，实现封闭形状的能力有限。基于相同灵感的其他研究主要表明剪纸可以在宏观尺度上使用简单的材料(如纸)进行应用。

但是今天(12 月 22 日)发表在《先进材料》杂志上的新研究进一步推进了这一过程。

麦考密克工程学院机械工程教授霍拉西奥·埃斯皮诺萨 (Horacio Espinosa) 表示，他的团队能够将设计和剪纸概念应用于纳米结构。Espinosa 领导了这项研究，并且是 James N. 和 Nancy J. Farley 制造和创业学教授。

“通过结合纳米制造、原位显微镜实验和计算建模，我们揭示了剪纸结构的丰富行为，并确定了它们在实际应用中的使用条件，”埃斯皮诺萨说。

研究人员首先使用半导体制造中最先进的方法创建二维结构，并在超薄膜上小心地放置“剪纸”。由薄膜中的残余应力引起的结构不稳定性会产生明确定义的 3-D 结构。设计的剪纸结构可用于许多应用，从微型抓手(例如细胞拾取)到空间光调制器，再到飞机机翼的流动控制。这些功能为生物医学设备、能量收集和航空航天领域的潜在应用奠定了基础。

通常，单个剪纸图案可以创建的形状数量是有限的。但是通过使用切割的变化，该团队能够展示薄膜弯曲和扭曲，从而产生更广泛的形状——包括对称和非对称配置。研究人员首次证明了微米级结构，使用几十纳米的薄膜厚度，可以实现不寻常的 3-D 形状并提供更广泛的功能。

例如，静电微型镊子会突然闭合，这对软样品来说可能会很刺耳。相比之下，基于剪纸的镊子可以通过调整拉伸量来精确控制抓取力。在此应用程序和其他应用程序中，基于计算机模拟设计切割位置和预测结构行为的能力无需反复试验，从而在此过程中节省金钱和时间。

随着研究的进展，Espinosa 说他的团队计划探索剪纸设计的大空间，包括阵列配置，以实现更多可能的功能。未来研究的另一个领域是嵌入用于剪纸部署和控制的分布式执行器。通过进一步研究这项技术，该团队认为剪纸可以对建筑、航空航天和环境工程产生影响。