用折纸方法让硅胶材料变得更坚固

本文介绍了一种新型的硅胶基折纸结构机械强化技术，旨在解决传统软材料在构建复杂三维结构时强度不足的问题。研究团队提出利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）与丙酮的溶液对硅橡胶前体进行表面处理，通过溶胀和随后的收缩过程，实现材料在微观层面的牢固结合，从而显著提升其机械强度。

传统的硅橡胶材料如PDMS虽然柔韧易加工，但因其本身质地柔软，在需要高强度支撑的应用中存在局限。尤其是在与其他硬质材料结合时，界面容易因力学性能不匹配而发生剥离。为克服这一难题，研究人员开发了“分级收缩嵌合”机制：先用紫外激光在硅胶表面制造微纳米级沟槽结构，再涂覆PMMA/丙酮溶液。当溶液渗入材料时，硅胶层膨胀，PMMA分子链随之插入其交联网络中；随着溶剂挥发，硅胶收缩，将PMMA链牢牢锁住，形成类似“收缩配合”的强固连接。同时，PMMA填充进激光刻蚀出的微孔结构中，进一步增强了界面的机械咬合效果。

实验结果显示，这种强化后的折纸结构表现出极高的承重能力。例如，一个星形结构可承载高达304克的重量，相当于自身重量的1127倍；而由多个强化环组成的建筑模型甚至能支撑超过1.5公斤的液态金属负载。最令人印象深刻的是，一个由强化环构成的圆环结构成功支撑起一名62.6公斤重的成年人，其归一化载荷达到58,108，远超以往报道的同类软结构。

此外，研究还展示了该技术在仿生机器人中的应用潜力。受潮虫启发，研究人员制作了一种“环形机器人”，其外壳采用强化的PMMA-硅胶复合结构。当受到500克重物碾压时，该机器人能主动趴下抵抗冲击，保护内部脆弱物体（如蒲公英）不被压坏，展现出优异的抗冲击能力和环境适应性。相比之下，未强化的对照组机器人则无法承受此类冲击。

尽管该方法已取得显著成果，但仍存在一定局限。例如，PMMA强化层一旦破裂便无法自我修复，限制了结构的重复使用性；操作过程中需精确控制微升级别的液体滴加；且因引入碳黑以增强激光吸收，材料透明度受到影响。未来可通过改用飞秒激光直接处理透明硅胶、探索其他溶剂体系等方式进一步拓展应用范围。

总体而言，这项研究为设计高强度、可编程的软材料结构提供了新思路，不仅可用于开发更耐用的软体机器人，也为智能建筑、柔性传感器等领域带来了新的可能性。