新算法设计出可展开的三维晶格结构

哈佛大学与东京大学的研究团队受折纸与剪纸艺术启发，开发出一种新算法，能够设计出可动态展开的三维晶格结构。这一成果发表于《美国国家科学院院刊》，标志着可折叠结构设计领域的重要进展。

传统上，霍伯曼球等可展开结构依靠带关节的杆件实现收缩与伸展。本研究团队提出的“可折叠剪式曲面与平面复合晶格”结构，采用类似的杆件与剪式关节，但通过新算法实现了更复杂的形态设计。

论文第一作者、哈佛大学物理学研究生诺亚·丰永介绍，该算法能系统探索所有可能的机构空间，并通过计算机设计与实体组装制造出复杂程度各异的实例。所有装置均采用多材料3D打印机制造，包括环面、螺旋体、“蛋盒”等多种结构。

论文高级作者、哈佛大学教授拉克什米纳拉亚南·马哈德万指出，这项研究提出了与折纸、剪纸互补的新问题：当基本构件从折痕或切口变为连接件时，结构还能实现什么功能。新算法通过纯粹的局部规则，能逐步构建出复杂的剪式曲面。

这种“逐块搭建”的设计方法，从单个关节开始向上构造整体，而非先定义完整形状再反向推导。丰永表示，整体形态可通过简单的几何决策塑造，仅需少量设计参数。

可折叠设计在运输成本高昂的领域具有重要价值。在潜艇、货运飞机和航天器运输中，可折叠家具、头盔、手术植入物等物品能显著减少运输次数，从而降低燃料成本与风险。这一特性使可折叠性成为极具潜力的设计特征。

研究团队与哈佛大学的科尔特·J·德克尔、罗伯特·J·伍德以及东京大学的西本芹、馆知宏共同合作完成了这项研究。他们制造出的多种动态结构，展现了算法在不同几何形态上的适用性。

除了实用价值，这些平面复合晶格还具备独特的几何美感。研究团队认为，优雅的形态或许能启发更多设计师将可折叠性纳入产品设计，推动从静态物品向可动态改变形态的产品转变，为未来多功能物品设计开辟新方向。