今天上課沒收的“機械手”……怎么是一張紙？？？ | 正經玩

今天

小編一如既往地在實驗室帶薪摸魚

沒想到

導師突然過來查崗

當導師懷疑的目光移向我手中的

白紙和剪刀……

我急急急急中生智解釋道：

冤……冤枉啊！

我這是在研制一款絕妙的機械手！

不信您看——

實驗器材

紙、小物件(例如小橘子、乒乓球)、筆、剪刀、裁紙刀、所標杯

實驗步驟

從打印紙上剪下一個正方形，將其沿中線對折兩次，得到一個四層厚的小正方形備用。

在正方形上繪制裁剪圖案。繪制時需注意，必須讓正方形的開口側朝外。

所畫圖案的示意圖如下所示。圖案本身需設計為上下、左右皆對稱的鏡面結構，其對稱精度是決定實驗成功與否的關鍵。

第三步：

用剪刀沿所畫圖案外部輪廓剪開。

用裁紙刀裁開內部畫線，注意不要裁斷外緣。使用裁紙刀時建議墊上切割墊，兒童操作請在成人指導下進行。

第四步：

輕輕展開剪好的形狀，壓平折痕并且調整紙的彎曲方向，使其呈現自然的抓取姿態。

第五步：

抓剪紙機械手的兩端，輕輕向外拉伸，使其環抱并提起一個小物件（如小橘子或乒乓球）。我們發現這個看似單薄的結構，卻能穩穩抓起物體，展現出遠超其外觀的承載力，其力學性能在特定幾何結構下得到了充分體現。

即使是簡化版本，也能成功抓取并提起較輕物體。

原理解說

剪紙藝術，作為中國最古老的民間藝術之一，可以通過切割來引導二維到三維的變形。

紙張上特定的切口破壞了平面的穩定性，使得紙張可以擺脫完美小學二年級學過的“高斯絕妙定理”的限制。當你拉伸它時，原本二維平面的紙張為了釋放應力，被迫向三維空間屈曲，可以變成三維的抓取形態。

這個我們在家里用一張紙就能復刻的剪紙機械手，其實靈感來源于科學家們的前沿研究。

近年，科學家們發現，一張簡單的有特定切口的四瓣花形紙片可以作為一個柔軟又靈活的仿生機械手，可以像人手一樣實現不同的抓握姿態。

四瓣花形剪紙機械手 | 來源：Sci. Robot.6,eabd6426 (2021).

這種剪紙機械手可以靈活地抓取各種大小形狀各異的物品。由于紙張的柔軟特性，它可以溫柔無傷地抓取嬌嫩的覆盆子果實。它還可以抓取微小的藥片甚至沙粒。

剪紙機械手抓取各種物品 | 來源： Sci. Robot.6,eabd6426 (2021).

由于制作成本極低，剪紙機械手很容易批量生產。還可以串聯或者并聯多個抓取單元，它們能夠抓取細長物體或同時操控多個目標。

串聯/并聯的剪紙機械手 | 來源： Sci. Robot.6,eabd6426 (2021).

后來，其他科學家團隊還設計出了升級版的可編程的機械手，可以通過裁剪特定形狀的紙片，可以精準控制機械手的抓取動作。

根據小學三年級學到的高斯-博內定理，可以通過設計邊界曲率（比如圓形紙片）精準預測三維彎曲形態的高斯曲率。

升級版機械手 | 來源： Nat Commun13, 530 (2022).

根據這種可編程形態學，科學家們用剪紙設計了一款捕蠅草形狀的精密無創手術用機械手。

這種機械手可以超輕柔地包裹目標物而不產生擠壓，適用于無損抓取脆弱的生物體，比如嬌嫩的生雞蛋黃。它不僅有貼合性和自適應性，機械強度也很高，可以抓起超過自身重量1000倍的物體，比如砝碼。

機械手抓取嬌嫩的生雞蛋黃 | 來源： Nat Commun13, 530 (2022).

機械手 捕捉活魚 | 來源 ： Nat Commun13, 530 (2022).

機械手 抓起砝碼 | 來源 ： Nat Commun13, 530 (2022).

剪紙藝術在科學中的應用非常豐富，不僅限于制作機械手。在剪紙機械手出現之前，剪紙藝術很早就被科學家玩出各種花樣了。比如，科學家們還嘗試用剪紙結構仿蛇皮制作過可以動態調整摩擦力的鞋底：

可以動態調整摩擦力的鞋底 | 來源：

Nat Biomed Eng

甚至還有納米剪紙科學。比如利用納米精度的剪紙結構，可以制作具有光學手征性的超材料，用于生物分子識別、偏振顯示、光通信等方面。

具有光學手征性的納米剪紙 | 來源：Sci. Adv.4,eaat4436(2018).

又比如，科學家們最近還利用剪紙-折紙協同設計，研制出可以智能調控的雷達隱身超材料：

雷達隱身超材料 | 來源：Adv. Funct. Mater. (2025): e15206.

從古老的窗花到前沿的柔性電子，從微納尺度的光子器件到宏觀的航空航天，剪紙不僅是一種裝飾藝術，還是一種結構科學。通過巧妙的幾何結構的設計，普通的小紙片，也能擁有非凡的超能力。

同學們不妨將目光收回到手中的剪刀和小紙片上，嘗試設計一款屬于自己的獨特的剪紙機械手（比如調整紙片的形狀、切口的形狀等）或者其他的剪紙結構。沒準下一個劃時代的剪紙黑科技，就誕生在你的書桌上！

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編輯：余蔭鎧 & 王驍天