自折叠折纸蜂窝为可持续保护性包装铺平了道路

折纸，将平面材料折叠成复杂的3D形状的行为，已经超越了其最初的艺术和仪式根源，进入了工程领域。由于其低成本和简单的制造工艺，基于折纸的结构和材料已在包括生物医学、包装、航天器和农业在内的各个领域得到应用。

在实际应用中使用折纸最困难的方面之一是找到一种方便、经济有效的方法将材料片折叠成所需的形状。对于尺寸非常小或非常大的折纸结构，折叠过程尤其具有挑战性。因此，科学家们一直在积极尝试提出新的方法来创建与其目标应用兼容的自折叠折纸结构。

在最近的一项研究中，日本芝浦工业大学(SIT)的一个研究小组展示了一种有前途的方法，可以轻松制造自折叠折纸蜂窝结构(SHS)。正如他们在《材料与设计》上发表的论文中所解释的，蜂窝结构因其许多吸引人的特性而成为很好的保护性包装材料，包括重量轻、孔隙率高、隔热和出色的机械减震性。

受此启发，该团队开发了一种低成本工艺，仅使用切纸机和标准喷墨打印机即可生产SHS。该研究由SIT的HirokiShigemune副教授领导，由SIT的NaokiHosoya教授和硕士生DaichiNaritomi以及东京工业大学的ShingoMaeda教授共同撰写。该论文于2022年9月16日在线提供，并将于2022年11月在该期刊的第223卷上发表。

这种生产SHS的新方法的关键是利用纸张和印刷溶液之间发生的物理化学相互作用。研究人员首先在一张平面纸上剪下一个矩形网格，然后使用喷墨打印机以精心设计的图案应用打印溶液;这导致蜂窝结构在几分钟内自行折叠。

该团队专注于分析切割和印刷图案的各种参数如何影响最终产品的结构和机械性能。在找到一组最佳参数后，他们测试了另外两种进一步提高SHS机械性能的方法。首先是将多个蜂窝层堆叠在一起，这极大地提高了最终结构的缓冲性能，而其高度的变化可以忽略不计。第二个是对蜂窝结构进行预应变，这实质上是在材料投入使用之前施加一次强大的压缩力。

通过以这种方式“破坏”材料，它们消除了在全新的SHS首次被压缩时出现的压缩力峰值，这可能会损坏受保护的物体。

正如Shigemune副教授通过几个例子所解释的那样，所提出的创建SHS的方法可以在广泛的应用中得到应用：“我们的技术可用于根据农作物的类型和收获期在农场生产定制的缓冲材料。水果和蔬菜。或者，它可以用于生产疏散设备，如头盔和床，使用SHS作为核心材料。

SHS的另一个显着优势是它们完全由纸制成，这种材料占用的存储空间很小，并且可以以低成本快速处理。还值得注意的是，SHS应被视为绿色技术，因为它们是由无毒材料制成的，能耗极低。“我们的技术有助于实现可持续发展目标，因为它使我们能够保护脆弱的成分和蔬菜，从而减少损失，”Shigemune副教授评论道。