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針對這一挑戰，英國紐卡斯爾大學Weicheng Huang（黃煒成）博士與英國伯明翰大學Mingchao Liu（劉明超）博士共同提出了一種創新性的摺疊結構設計方法。透過將面內摺痕（Kink）和麵外摺痕（Crease）同時引入環形彈性條帶中（圖1），創造了可實現從平面到三維的可調摺疊結構——超條帶（Meta-ribbon）。此方法突破了傳統摺紙和軟材料摺疊結構的侷限，使得摺疊過程可以在連續（Continuous）模式和瞬態（Snapping）模式之間轉換。這一研究成果以“Integration of kinks and creases enables tunable folding in
meta-ribbons”為題發表在國際知名期刊Matter上。合作者還包括南方科技大學Tian Yu（喻田）博士，新加坡南洋理工大學K. Jimmy Hsia（夏焜）教授以及美國普林斯頓大學Sigrid Adriaenssens教授。
meta-ribbons”為題發表在國際知名期刊Matter上。合作者還包括南方科技大學Tian Yu（喻田）博士，新加坡南洋理工大學K. Jimmy Hsia（夏焜）教授以及美國普林斯頓大學Sigrid Adriaenssens教授。
圖1 透過引入面內和麵外摺痕實現環形超條帶的摺疊。
圖2 面內摺痕引起的多邊形彈性條帶的摺疊。
作者首先採用離散模型、理論分析和物理實驗，系統地研究了環形彈性條帶透過面內摺痕和麵外摺痕的非線性摺疊過程。結果發現，面內摺痕引起的摺疊過程對應超臨界分叉，形成連續摺疊的模式（圖2）；而面外摺痕引起的摺疊過程則對應亞臨界分叉，從而導致彈性突跳，形成瞬態摺疊（圖3）。同時還獲得了總結具有不同數量面內和麵外摺痕的圓環摺疊過程中能量演化規律的一般曲線。
圖3.面外摺痕引起的環形彈性條帶的摺疊。
透過上述研究，作者發現面內摺痕和麵外摺痕分別引起連續和瞬態摺疊，因此提出將面內和麵外摺痕同時引入同一條帶中，從而形成摺疊過程可調控的彈性超條帶。以一個含有8個面內摺痕和8個面外摺痕的正八邊形超條帶為例（圖4），透過離散模型的計算，得到了在不同面內和麵外折角組合情況下的能量分佈，其中可以很明顯地發現有一個能量分佈不連續的區域。當摺疊路徑經過該區域時，對應的摺疊過程為瞬態摺疊，而當摺疊路徑不經過該區域時，則對應於連續摺疊。該結果表明，針對同一超條帶，透過控制不同的面內和麵外折角的分佈和變化，可以實現對特定摺疊路徑的選擇。此外，動力學分析還發現，連續摺疊過程不會出現振動，而瞬態摺疊則會伴隨比較強烈的振動。
圖4同時含有面內和麵外摺痕的彈性超條帶的摺疊過程能量分佈以及對應的動態摺疊過程。
研究還進一步揭示了超條帶在折角改變過程中，由於打破了旋轉對稱性形成的屈曲結構具有多穩態（圖5）。針對具有8個面內/面外摺痕的超條帶，計算結果表面屈曲結構具有3個穩定狀態；並且透過位移載入，可以實現在多個穩定狀態之間的轉換。
圖5 彈性超條帶中多個穩定狀態的轉換。
該研究深入揭示了控制可摺疊結構中摺疊過程的基本力學原理。透過同時引入面內和麵外摺痕構造了具有可調摺疊特性的超條帶。這種摺疊行為的可調控性為可控動態摺疊過程的實現以及不同穩定狀態間的轉換創造了機會。研究結果展示了所提出的方法的有效性，為從基礎物理機制分析到新穎超材料設計，以及具有實際工程應用潛力的功能結構開發奠定了良好的基礎。