一种利用磁场和剪纸艺术（kirigami）设计的新型装置，能够在不抓取的情况下对物体进行精细操作。

研究人员设计了一种创新装置，该装置将磁场与受剪纸艺术启发的设计相结合，从而可以远程控制一个柔软且带凹痕的表面。该表面无需物理抓取物体即可移动物体，非常适合提起和运输易碎物品、凝胶或液体。这项技术有望在空间狭小或受限且传统工具（如机械臂）无法操作的地方发挥作用。

“我们试图解决这里的两个挑战，”论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授殷杰解释道。“第一个挑战是如何移动不能用夹持器夹起的物体，比如易碎物品或狭小空间内的物品。第二个挑战是如何利用磁场远程提升和移动非磁性物体。”

磁性超薄片力学

为应对这些挑战，研究人员创造了一种“超材料片”，它由嵌有磁性微粒的弹性聚合物制成。然后，研究人员在超材料片上切割出一种图案。超材料片的外边缘被固定在一个刚性框架上。

通过在超表面下方移动磁场，你可以迫使超表面的部分区域向上凸起或向下凹陷。

用磁波操控物体

尹（Yin）说：“你其实可以通过控制磁场的方向，让超表面的表面像波浪一样移动。而调整磁场的强度可以决定波浪起伏的程度。”

“通过控制超表面的表面运动，可以使置于其表面的多种类型的物体移动，无论是液滴还是扁平的玻璃片，”论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系教授乔·特雷西说。

未来的应用与增强

“超材料板上的切口设计是剪纸艺术的实例，”论文第一作者、北卡罗来纳州立大学（NC State）前博士生殷定池（Yinding Chi，音译）说道，“对于超材料板而言，这一点尤为重要，因为剪纸艺术能在不牺牲材料本身基本刚度的情况下增强其灵活性。

“这使我们能够在不损失材料机械强度的情况下放大其变形，”池表示，他现在是宾夕法尼亚大学的博士后研究员。“此外，该超材料薄片对磁场非常敏感，响应时间快达两毫秒。”

“关于如何将磁力驱动与剪纸艺术相结合的研究还很少，而我们的研究表明，从软体机器人到制造业应用等领域，将这两种方法结合起来有着巨大的潜力，”特蕾西说。

奇（Chi）说：“我们有兴趣缩小这种方法的应用规模，以便让这些超薄片能够操作更小的物体和更少的液体。”

殷表示：“我们还对这种方法的用途感兴趣，即利用该方法创造触觉技术，该技术可以应用于从游戏到无障碍设备的各个方面。”

参考文献：“高变形性和刚度磁剪纸穹顶超材料片，用于自适应动态变形和多模态操控”，载于2024年12月6日《科学进展》。

本文作者包括北卡罗来纳州立大学的马修·克拉里、齐芳杰、孙浩泽和萨拉·妮夏·坎图以及埃隆大学的埃米莉·埃文斯和凯瑟琳·卡波达诺。

这项工作是在美国国家科学基金会的资助下完成的，资助编号分别为2005374、2329674、1663416和1662641。