利用非对称多稳态实现折纸的动态折叠

在本研究中，我们考察了一种快速可逆的折纸折叠方法，其利用共振激励、非对称多稳态与主动控制的组合。基本思想是，通过在多稳态折纸的共振频率上施加谐波激励，可诱导其在不同稳定平衡之间快速折叠，而无需使用响应性材料。为此，我们以双稳态水弹底座作为典型示例。通过基于新动力学模型的数值模拟与实验测试，我们表明水弹双稳态的固有非对称性能够以较低的驱动需求实现动态折叠。例如，若水弹初始处于其“弱”稳定态，可使用基底激励诱发井内共振。结果，折纸会折叠并保持在另一“强”稳定态，即使激励不停止也是如此。另一方面，从强态开始的折纸动力学更为复杂。由于动态折叠行为、非对称势能垒、共振频率差异与激励幅值之间的非线性关系，水弹折纸倾向于表现跨井振荡而非单向切换。因此，我们开发了主动反馈控制策略，在临界时刻切断基底激励输入，以实现从强稳定态到弱稳定态的鲁棒单向折叠。本研究结果可应用于多种不同折纸，并创建了一种快速可逆（自）折叠的新途径，从而推进折纸在形状变形系统、自适应结构与可重构机器人中的应用。