僅用一張極小的塑料膜，來設(shè)計一款機械手，用它捧起一枚生蛋黃，或捏起一根頭發(fā)絲，而且，還要抓起自身重量1000倍的物品。
這怎么可能？
最開始，洪堯燁自己也沒想到。他是美國北卡羅萊納州立大學(xué)機械及航空航天工程專業(yè)的一名博士生。而在今天（1月26日），他以一作的身份，在Nature Communications上發(fā)表了一項關(guān)于形狀可編程材料的研究成果，攻克了上述難題。
論文發(fā)表截圖
▲蛋黃，頭發(fā)絲和大力士
在這項研究中，洪堯燁用2D材料制作了一個精巧的機械手，能完好無損地抓起那些易碎的小東西。
這款機械手體格非常小，只有0.4克。但是，它卻能抓起我們意想不到的東西。
首先是生蛋黃。
用傳統(tǒng)的機械手去抓起一枚生雞蛋，非常困難，因為在對其施加壓力的過程中，很容易把蛋殼弄碎。但是洪堯燁制作出的這款剪紙機械抓手，別說是生雞蛋了，它甚至能夠抓起一枚生蛋黃，而且不會把它弄碎。
抓取時的動態(tài)軌跡，很像一雙輕柔的手，把物品緩緩繞住，然后捧起它。
這個過程看起來極具美感，像浮動的水母，吞下了一只圓圓的小魚。而這一切，都僅僅來自于一張再普通不過的pet薄片。
至于為什么要抓生蛋黃，洪堯燁解釋道，是為了追求極致。
一開始他們嘗試抓豆腐，很輕松。但在考慮生物研究應(yīng)用的時候發(fā)現(xiàn)，很多海洋生物都是凝膠狀的，既容易破碎，又很滑。為了更好地驗證技術(shù)的應(yīng)用性，他們嘗試去抓形態(tài)相似的生蛋黃，結(jié)果成功了。
其次是頭發(fā)絲。
這款機械手不僅能夠完好無損地抓起易碎品，還能精準(zhǔn)抓取一根人類的頭發(fā)絲。在輕柔度和精確度上，都達(dá)到了極致。
圖a-b:柔性抓手包裹一條水中的魚 c:柔性抓手抓取生的鵪鶉蛋黃且不破壞蛋黃的結(jié)構(gòu) d:柔性抓手抓取人的頭發(fā)（圖片源自論文）
按理說，這么輕巧的一只機械手，應(yīng)該只能在“小人國”里施展才華，但實際上，它還是當(dāng)之無愧的“大力士”，能夠抓起超過自重1000倍的物品。
為此，洪堯燁做了近1500次實驗，讓它抓住、移動、放下重達(dá)400克的東西。重復(fù)這個動作上千次后，機械手仍然完好無損，還能抓。
那么，如果將這款機械手放大，或者替換材料，它是不是就能完成更艱難的任務(wù)了？
的確如此。為了幫助理解這項技術(shù)的應(yīng)用前景，洪堯燁的導(dǎo)師、北卡羅萊納州立大學(xué)工學(xué)院的副教授尹杰，向《中國科學(xué)報》舉了很多生動的例子：
“比如摘黑莓、抓魚，很多需要無損傷采摘的地方，都用得到這項技術(shù)。而且因為它是一個環(huán)繞狀的形態(tài)，容量大，一次性能抓的更多，采摘效率也隨之提高了。”
尹杰還提到這項技術(shù)在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用前景。基于它的靈活性和高貼合度，未來可以將其集成到柔性機器人技術(shù)當(dāng)中，制作和人體關(guān)節(jié)高度貼合、能加熱的治療設(shè)備。這無疑是很多關(guān)節(jié)炎、痛風(fēng)患者的福音。
好用之外，這項技術(shù)也很好看。
洪堯燁把它跟視覺藝術(shù)結(jié)合在一起，做了很多有趣的嘗試。比如他借鑒傳統(tǒng)川劇中的變臉，做了一套“表情包”，讓一張微笑著的人臉?biāo)查g“哭泣”，或者“戴上眼鏡”。
圖a-c:單向拉伸產(chǎn)生的可變換表情的人臉結(jié)構(gòu)
▲當(dāng)剪紙藝術(shù)，碰上數(shù)學(xué)靈感
在機械工程領(lǐng)域，能將研究思路轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，是衡量研究價值的重要指標(biāo)。為此，洪堯燁制作出了這款精巧的機械抓手。
那么，他的研究思路是如何成型的呢？要知道，他最初的目標(biāo)是生蛋，結(jié)果做著做著，就連滑溜溜的生蛋黃，都抓起來了。
這可以追溯到一種剪紙藝術(shù)——kirigami，它在中國和日本都流傳已久。
平時我們常見的3D賀卡，就是這種剪紙技藝在生活中的直觀應(yīng)用。一張2D紙片，能在打開的瞬間，變幻出形態(tài)各異的復(fù)雜3D體，如同穿透次元的魔術(shù)。連科學(xué)家都為此著迷。
從2015年開始，科學(xué)界就對這種剪紙藝術(shù)產(chǎn)生了興趣，嘗試將它和科學(xué)結(jié)合起來。
《道德經(jīng)》中有句話，叫“天下之至柔，馳騁天下之至堅”�？此迫彳浟鲃拥臇|西，反而擁有無窮的力量。借鑒剪紙藝術(shù)，科學(xué)家們做出了一些模型，能夠?qū)崿F(xiàn)2D材料到3D結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。
其中比較有代表性的，都是以多邊形為單元結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格狀剪法。這些方法都極為復(fù)雜，需要單獨對不同局部的剪切進(jìn)行設(shè)計，如形狀大小、排列方式等，實在太繁瑣了。
于是，洪堯燁和導(dǎo)師討論，有沒有比這個更簡單的方法？
做科研和搞藝術(shù)有時候很像，比如，靈感常在一瞬間涌入大腦。
洪堯燁在選修的微分幾何課上，接觸到了高斯-博內(nèi)定理。他靈光一現(xiàn)，想到可以從邊界曲率出發(fā)，來控制各個部分變形的動態(tài)和軌跡，這樣就能避免那些復(fù)雜的局部設(shè)計了！只需關(guān)注剪切處的邊界形式，就能得到不同的3D結(jié)構(gòu)。
順著這個思路，洪堯燁設(shè)計出了一種只需考慮邊界曲率，就能將2D轉(zhuǎn)為3D的形狀可編程材料技術(shù)。既創(chuàng)新了理論，又簡化了方法。
▲全華人團(tuán)隊，從扎實到極致
洪堯燁在2015年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)，后赴美國波士頓大學(xué)求學(xué)，于2018年獲得碩士學(xué)位。同年8月，加入尹杰的實驗室。
洪堯燁
尹杰的實驗室屬于全世界最早進(jìn)行剪紙研究的一批，在此之前就發(fā)表過相關(guān)成果。
洪堯燁說，這篇論文一開始投過其他期刊，但被拒稿了。因為這是他擔(dān)任一作的首篇論文，投稿受挫，讓他一度陷入沮喪。但尹杰一直鼓勵他，堅信這是一項有價值的工作。直到Nature Communications發(fā)來橄欖枝。
三位評審專家都對此給出了很高的評價，認(rèn)為這是一項從理論創(chuàng)新到應(yīng)用驗證的扎實工作，讓科學(xué)和藝術(shù)得到了極致的融合。與此同時，提出了一種比較簡單的逆向設(shè)計方法，應(yīng)用前景可觀。
這也是尹杰對洪堯燁的評價：有追求極致的熱情，也有扎實吃苦的精神。
值得一提的是，這篇最新論文的全部作者都是華人。實際上，尹杰所帶的研究生，全部都來自中國。
在尹杰看來，他的每個研究生都像洪堯燁一樣，理論功底扎實，勤奮好學(xué)。他對這些學(xué)生的評價很高，也有著一種天然的責(zé)任感，“學(xué)生們都處在人生和科研的黃金階段，身為他們的導(dǎo)師，應(yīng)該珍惜時間，帶領(lǐng)他們多做一些有價值的產(chǎn)出。”
尹杰（右二）和學(xué)生們 受訪者供圖
這種心意體現(xiàn)在很多方面。比如，在全美中獎率只有7%的背景下，洪堯燁的這項工作仍然得到了美國國家科學(xué)基金會的資助。
接下來，洪堯燁希望可以在理論上做出更多探索，令其能夠適用于更廣泛的結(jié)構(gòu)。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28187-x
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