受骨骼和自然界中其他細胞固體的啟發，人類利用同樣的概念開發了建築材料。透過改變構成這些材料的單元格的幾何形狀，研究人員可以定製材料的機械、熱或聲學特性。建築材料應用廣泛，從減震包裝泡棉到熱調節散熱器，不一而足。

麻省理工學院的研究人員利用日本的剪紙和摺紙藝術- Kirigami，開發出了具有可調機械性能（如剛度和柔度）的超強輕質材料。這些材料可用於飛機、汽車或太空船。圖片來源：研究人員提供

麻省理工學院的研究人員修改了一種常見的摺紙摺痕圖案，使波紋結構的尖點變成了刻面。這些刻面就像鑽石上的刻面一樣，提供了平坦的表面，可以用螺栓或鉚釘更方便地將板材固定在上面。圖片來源：研究人員提供

麻省理工學院的研究人員利用日本古老的摺紙和剪紙藝術-Kirigami，製造出了一種名為”板格”的高性能結構材料，其規模遠遠超過了科學家們之前通過添加劑製造所能實現的規模。這項技術使他們能夠用金屬或其他材料製造出具有定制形狀和特別定制機械性能的這些結構。

「這種材料就像鋼軟木。它比軟木輕，但具有高強度和高剛度，”麻省理工學院比特與原子中心（CBA）負責人尼爾-格申菲爾德（Neil Gershenfeld）教授說，他是一篇關於這種方法的新論文的資深作者。

研究人員開發了一種模組化製造工藝，在這種工藝中，許多較小的部件被成型、折疊並組裝成三維形狀。利用這種方法，他們製造出了超輕、超強的結構和機器人，在特定負載下，它們可以變形並保持形狀。

研究人員透過在順應面上張緊鋼絲，然後將其連接到滑輪和馬達系統，從而驅動波紋結構，使其能夠向任一方向彎曲。圖片來源：研究人員提供

由於這些結構重量輕、強度高、剛度大，而且相對容易大規模生產，因此在建築、飛機、汽車或航空航太零件中特別有用。

與格申菲爾德一起撰寫論文的還有共同第一作者、CBA研究助理阿方索-帕拉-魯比奧（Alfonso Parra Rubio）和麻省理工學院電氣工程與計算機科學研究生剋拉拉-蒙迪洛娃（Klara Mundilova），以及CBA研究生大衛-普雷斯（David Preiss）和麻省理工學院電腦科學教授艾瑞克-德梅因（Erik D. Demaine）。該研究成果已在美國機械工程師學會工程計算機與資訊大會上發表。

像晶格這樣的結構材料經常被用作一種複合材料的核心，這種複合材料稱為三明治結構。要設想夾層結構，可以想像飛機機翼，在機翼上，一系列相交的對角梁構成了夾在頂部和底部面板之間的網格核心。這種桁架結構具有很高的剛性和強度，但重量卻很輕。

板格是由板而不是樑的三維交叉組成的蜂巢結構。這些高性能結構的強度和剛度甚至超過了桁架晶格，但由於其形狀複雜，使用3D 列印等普通技術製造它們具有挑戰性，尤其是在大規模工程應用中。

麻省理工學院的研究人員利用桐紙克服了這些製造難題，桐紙是一種透過折疊和切割紙張來製作3D 形狀的技術，其歷史可追溯到7 世紀的日本藝術家。

研究人員利用他們的方法製造出了壓縮強度超過62 千牛頓的鋁結構，但每平方公尺的重量僅為90 公斤。圖片來源：研究人員提供

Kirigami已被用於利用部分折疊的之字形摺痕製作板格。但要製作夾層結構，必須將平板連接到波紋芯材的頂部和底部，再連接到人字形摺痕形成的窄點。這通常需要強力黏合劑或焊接技術，導致組裝速度慢、成本高，而且難以擴大規模。

麻省理工學院的研究人員修改了一種常見的摺紙摺痕圖案，使波紋結構的尖點變成了刻面。這些刻面就像鑽石上的刻面一樣，提供了平整的表面，可以用螺栓或鉚釘更方便地將板塊固定在上面。

Parra Rubio 說：”在重量和內部結構保持不變的情況下，板晶格在強度和剛度方面優於梁晶格。透過使用雙光子光刻技術進行奈米級生產，理論剛度和強度已達到HS上限。板晶格的構建非常困難，因此在宏觀尺度上的研究很少。我們認為，折疊是一條更容易利用金屬製成的這種板狀結構的途徑。”

此外，研究人員設計、折疊和切割圖案的方式使他們能夠調整某些機械性能，如剛度、強度和彎曲模量（材料的抗彎傾向）。他們將這些資訊以及三維形狀編碼成摺痕圖，用來創造這些嘰裡紙波紋。

例如，根據褶皺的設計方式，可以對一些細胞進行塑形，使其在壓縮時保持形狀，而對另一些細胞進行修改，使其彎曲。透過這種方式，研究人員可以精確控制結構的不同區域在壓縮時的變形。

由於可以控制結構的靈活性，這些波紋可用於機器人或其他具有移動、扭曲和彎曲部件的動態應用。

為了製作像機器人這樣的大型結構，研究人員採用了模組化組裝工藝。他們批量生產較小的摺痕圖案，並將其組裝成超輕、超強的三維結構。較小的結構具有較少的摺痕，從而簡化了製造過程。

研究人員利用經過改良的三浦織圖案，創造出能產生所需形狀和結構特性的摺痕圖案。然後，他們利用一台獨特的機器–Zund 切割台–切割出平整的金屬板，並將其折疊成三維形狀。

“要製造汽車和飛機等產品，需要在模具上投入巨資。這種製造流程不需要工具，就像3D 列印一樣。但與3D 列印不同的是，我們的製程可以設定記錄材料特性的極限，”格申菲爾德說。

利用他們的方法，他們製造出的鋁結構壓縮強度超過62 千牛頓，但每平方公尺重量僅90 公斤。(軟木每平方公尺重約100 公斤）他們的結構非常堅固，可以承受的力道是普通鋁波紋的三倍。

這種多用途技術可用於鋼材和複合材料等多種材料，因此非常適合生產飛機、汽車或太空船的輕質減震部件。

不過，研究人員發現，他們的方法可能難以建模。因此，他們計劃在未來為這些嘰里格米板格結構開發用戶友好的CAD 設計工具。此外，他們還希望探索各種方法，以降低模擬設計所需效能的計算成本。

帕拉-盧比奧、蒙迪洛娃和其他麻省理工學院的研究生也利用這種技術用鋁複合材料製作了三件大型折疊藝術品，並在麻省理工學院媒體實驗室展出。儘管每件作品都長達數米，但這些結構的製作只花了幾個小時。

“歸根結底，藝術作品之所以成為可能，是因為我們在論文中展示了數學和工程方面的貢獻。但我們也不想忽視我們作品的美學力量，”Parra Rubio 說。