僅用一張極小的塑料膜，來設計一款機械手，用它捧起一枚生蛋黃，或捏起一根頭發(fā)絲，而且，還要抓起自身重量1000倍的物品。
這怎么可能？
最開始，洪堯燁自己也沒想到。他是美國北卡羅萊納州立大學機械及航空航天工程專業(yè)的一名博士生。而在今天（1月26日），他以一作的身份，在Nature Communications上發(fā)表了一項關于形狀可編程材料的研究成果，攻克了上述難題。
論文發(fā)表截圖
▲蛋黃，頭發(fā)絲和大力士
在這項研究中，洪堯燁用2D材料制作了一個精巧的機械手，能完好無損地抓起那些易碎的小東西。
這款機械手體格非常小，只有0.4克。但是，它卻能抓起我們意想不到的東西。
首先是生蛋黃。
用傳統(tǒng)的機械手去抓起一枚生雞蛋，非常困難，因為在對其施加壓力的過程中，很容易把蛋殼弄碎。但是洪堯燁制作出的這款剪紙機械抓手，別說是生雞蛋了，它甚至能夠抓起一枚生蛋黃，而且不會把它弄碎。
抓取時的動態(tài)軌跡，很像一雙輕柔的手，把物品緩緩繞住，然后捧起它。
這個過程看起來極具美感，像浮動的水母，吞下了一只圓圓的小魚。而這一切，都僅僅來自于一張再普通不過的pet薄片。
至于為什么要抓生蛋黃，洪堯燁解釋道，是為了追求極致。
一開始他們嘗試抓豆腐，很輕松。但在考慮生物研究應用的時候發(fā)現(xiàn)，很多海洋生物都是凝膠狀的，既容易破碎，又很滑。為了更好地驗證技術的應用性，他們嘗試去抓形態(tài)相似的生蛋黃，結果成功了。
其次是頭發(fā)絲。
這款機械手不僅能夠完好無損地抓起易碎品，還能精準抓取一根人類的頭發(fā)絲。在輕柔度和精確度上，都達到了極致。
圖a-b:柔性抓手包裹一條水中的魚 c:柔性抓手抓取生的鵪鶉蛋黃且不破壞蛋黃的結構 d:柔性抓手抓取人的頭發(fā)（圖片源自論文）
按理說，這么輕巧的一只機械手，應該只能在“小人國”里施展才華，但實際上，它還是當之無愧的“大力士”，能夠抓起超過自重1000倍的物品。
為此，洪堯燁做了近1500次實驗，讓它抓住、移動、放下重達400克的東西。重復這個動作上千次后，機械手仍然完好無損，還能抓。
那么，如果將這款機械手放大，或者替換材料，它是不是就能完成更艱難的任務了？
的確如此。為了幫助理解這項技術的應用前景，洪堯燁的導師、北卡羅萊納州立大學工學院的副教授尹杰，向《中國科學報》舉了很多生動的例子：
“比如摘黑莓、抓魚，很多需要無損傷采摘的地方，都用得到這項技術。而且因為它是一個環(huán)繞狀的形態(tài)，容量大，一次性能抓的更多，采摘效率也隨之提高了。”
尹杰還提到這項技術在可穿戴設備領域的應用前景。基于它的靈活性和高貼合度，未來可以將其集成到柔性機器人技術當中，制作和人體關節(jié)高度貼合、能加熱的治療設備。這無疑是很多關節(jié)炎、痛風患者的福音。
好用之外，這項技術也很好看。
洪堯燁把它跟視覺藝術結合在一起，做了很多有趣的嘗試。比如他借鑒傳統(tǒng)川劇中的變臉，做了一套“表情包”，讓一張微笑著的人臉瞬間“哭泣”，或者“戴上眼鏡”。
圖a-c:單向拉伸產生的可變換表情的人臉結構
▲當剪紙藝術，碰上數(shù)學靈感
在機械工程領域，能將研究思路轉化為實際應用，是衡量研究價值的重要指標。為此，洪堯燁制作出了這款精巧的機械抓手。
那么，他的研究思路是如何成型的呢？要知道，他最初的目標是生蛋，結果做著做著，就連滑溜溜的生蛋黃，都抓起來了。
這可以追溯到一種剪紙藝術——kirigami，它在中國和日本都流傳已久。
平時我們常見的3D賀卡，就是這種剪紙技藝在生活中的直觀應用。一張2D紙片，能在打開的瞬間，變幻出形態(tài)各異的復雜3D體，如同穿透次元的魔術。連科學家都為此著迷。
從2015年開始，科學界就對這種剪紙藝術產生了興趣，嘗試將它和科學結合起來。
《道德經(jīng)》中有句話，叫“天下之至柔，馳騁天下之至堅”。看似柔軟流動的東西，反而擁有無窮的力量。借鑒剪紙藝術，科學家們做出了一些模型，能夠實現(xiàn)2D材料到3D結構的轉換。
其中比較有代表性的，都是以多邊形為單元結構的網(wǎng)格狀剪法。這些方法都極為復雜，需要單獨對不同局部的剪切進行設計，如形狀大小、排列方式等，實在太繁瑣了。
于是，洪堯燁和導師討論，有沒有比這個更簡單的方法？
做科研和搞藝術有時候很像，比如，靈感常在一瞬間涌入大腦。
洪堯燁在選修的微分幾何課上，接觸到了高斯-博內定理。他靈光一現(xiàn)，想到可以從邊界曲率出發(fā)，來控制各個部分變形的動態(tài)和軌跡，這樣就能避免那些復雜的局部設計了！只需關注剪切處的邊界形式，就能得到不同的3D結構。
順著這個思路，洪堯燁設計出了一種只需考慮邊界曲率，就能將2D轉為3D的形狀可編程材料技術。既創(chuàng)新了理論，又簡化了方法。
▲全華人團隊，從扎實到極致
洪堯燁在2015年畢業(yè)于南京航空航天大學機械工程及自動化專業(yè)，后赴美國波士頓大學求學，于2018年獲得碩士學位。同年8月，加入尹杰的實驗室。
洪堯燁
尹杰的實驗室屬于全世界最早進行剪紙研究的一批，在此之前就發(fā)表過相關成果。
洪堯燁說，這篇論文一開始投過其他期刊，但被拒稿了。因為這是他擔任一作的首篇論文，投稿受挫，讓他一度陷入沮喪。但尹杰一直鼓勵他，堅信這是一項有價值的工作。直到Nature Communications發(fā)來橄欖枝。
三位評審專家都對此給出了很高的評價，認為這是一項從理論創(chuàng)新到應用驗證的扎實工作，讓科學和藝術得到了極致的融合。與此同時，提出了一種比較簡單的逆向設計方法，應用前景可觀。
這也是尹杰對洪堯燁的評價：有追求極致的熱情，也有扎實吃苦的精神。
值得一提的是，這篇最新論文的全部作者都是華人。實際上，尹杰所帶的研究生，全部都來自中國。
在尹杰看來，他的每個研究生都像洪堯燁一樣，理論功底扎實，勤奮好學。他對這些學生的評價很高，也有著一種天然的責任感，“學生們都處在人生和科研的黃金階段，身為他們的導師，應該珍惜時間，帶領他們多做一些有價值的產出。”
尹杰（右二）和學生們 受訪者供圖
這種心意體現(xiàn)在很多方面。比如，在全美中獎率只有7%的背景下，洪堯燁的這項工作仍然得到了美國國家科學基金會的資助。
接下來，洪堯燁希望可以在理論上做出更多探索，令其能夠適用于更廣泛的結構。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28187-x
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