液晶弹性体助力“刚性折纸”实现可重构变形与电磁调控
南方科技大学电子与电气工程系罗丹教授课题组联合南京大学陆延青教授团队与荷兰埃因霍温理工大学刘丹青教授团队，发展出一种基于液晶弹性体（LCE）的可重构刚性可折叠折纸结构。该结构在热或光刺激下能实现高精度、可预测的三维变形，集成刚性面板和可变折痕，从而为仿生器件、空间展开结构以及智能电磁系统提供新的潜在应用。相关成果以“Programmable Liquid Crystal Elastomer‐Based Reconfigurable Rigid Foldable Origami Enabled by Hybrid Surface‐Induced Alignment”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。
刚性可折叠折纸因其结构可编程性和负泊松比等独特几何特性，在柔性电子、智能机器人和航空航天等领域广受关注。然而，其传统实现往往依赖机械装置驱动，难以实现微型化和多功能整合。液晶弹性体作为响应性材料，具备可逆大形变和多重刺激响应能力，为主动折纸结构提供理想材料选择。但要实现高分辨率、可控的空间取向，以精确构造刚性面板与可控折痕，仍面临挑战。
本研究通过引入“光取向+垂直聚酰亚胺取向”的混合表面取向策略，首次实现了单片液晶弹性体薄膜中二维与垂直方向的体素化分区取向控制。研究团队构建出四种基本构型单元（展曲、扭曲、垂直与反展曲），并将其自由组合，构筑出可实现曲面折叠、水弹结构及三浦折纸结构等多种复杂折纸几何。在多种刺激下，器件展现出可逆大角度折叠、高刚度保持性及优异的循环稳定性。
图1 液晶弹性体刚性折纸的原理示意图
基于体素化混合取向策略，团队制备了仿生花形和双稳态水弹执行器。仿生花形执行器在热或光刺激下能够在“绽放”与“闭合”状态之间快速切换，模拟真实花朵的开合过程；双稳态执行器依托独特几何结构实现了两种稳定构型之间的可逆转换，并展现出负泊松比和刚度可调的特性，适用于仿生机器人与快速响应机构等场景。
图2 液晶弹性体仿生花执行器和双稳态执行器
进一步地，团队将液晶弹性体折纸与微波金属单元集成，构建出一种可由近红外光调控的可重构微波超表面。该器件不仅能实现折叠角度调控带来的反射频率调谐，还在24.28 GHz下实现了8.81 dB的反射调制深度，展示出光控可展开天线、智能电磁涂层等应用潜力。
图3 液晶弹性体微波可重构超表面
该成果提供了一种可批量制备、结构可编程、功能可集成的刚性折纸构筑方法，为柔性机器人、可穿戴设备及未来智能材料系统提供了新的可能。
该论文第一作者为南方科技大学22级博士生吴宗烜，罗丹教授为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。研究得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金项目支持。