美國團(tuán)隊(duì)在二維剪紙結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)邊界形狀，并通過拉伸實(shí)現(xiàn)任意三維曲面，有望用于海洋生物探索

紙也能抓生蛋黃？紙也能抓住小魚？甚至抓一根頭發(fā)絲，又或400克重的砝碼？

近日，美國北卡州立大學(xué)尹杰團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款剪紙抓手，該剪紙可以抓起易碎的生蛋黃，并將它完好無損地放回原處。

兜住蛋黃的剪紙

并能以同樣的方式移動(dòng)活魚、肥皂泡、SD卡、一根頭發(fā)和上述砝碼等。

2022年1月26日，相關(guān)論文以《邊界曲率引導(dǎo)的可編程形狀變形剪紙片》為題發(fā)表。

兜住頭發(fā)的剪紙

兜住小魚的剪紙

據(jù)介紹，作為中國最古老的民間藝術(shù)之一，剪紙藝術(shù)可通過切割來引導(dǎo)二維到三維的變形，提供了一種高效地實(shí)現(xiàn)平面到各種三維形狀變化的途徑。現(xiàn)有的三維曲面剪紙?jiān)O(shè)計(jì)依賴于復(fù)雜切割圖案，這使得逆向設(shè)計(jì)剪紙圖案極具挑戰(zhàn)性。

剪紙表情變換

說到曲面就得提到微分幾何中的經(jīng)典Gauss-Bonnet定理，該定理給出了沿邊界的測(cè)地線曲率與曲面高斯曲率等的積分關(guān)系。受該定理啟發(fā)，研究中，該團(tuán)隊(duì)利用正向和反向設(shè)計(jì)，對(duì)切割邊界的曲率、而不是剪紙片中的復(fù)雜切割模式進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)三維曲面形狀。

這一策略將平面剪紙邊界形狀與三維曲面形狀相關(guān)聯(lián)，三維結(jié)構(gòu)的最終形狀取決于材料的外邊界，因此在很大程度上簡(jiǎn)化了平面剪紙的逆向設(shè)計(jì)。例如，具有圓形邊界的二維材料將形成球形三維形狀。

利用該策略，他們展示了讓剪紙作為通用且無損抓取器的潛在應(yīng)用。在剪紙材料上，該團(tuán)隊(duì)使用0.13毫米厚的常見PET塑料薄片，通過激光切割來生成剪紙。……