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僅用一張極小的塑膠膜，來設計一款機械手，用它捧起一枚生蛋黃，或捏起一根頭髮絲，而且，還要抓起自身重量1000倍的物品。
這怎麼可能？
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太空工程專業的一名博士生。而在今天（1月26日），他以一作的身份，在Nature Communications上發表了一項關於形狀可編程材料的研究成果，攻克了上述難題。
論文發表截圖
▲蛋黃，頭髮絲和大力士
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。
抓取時的動態軌跡，很像一雙輕柔的手，把物品緩緩繞住，然後捧起它。
這個過程看起來極具美感，像浮動的水母，吞下了一隻圓圓的小魚。而這一切，都僅僅來自於一張再普通不過的pet薄片。
抓取生蛋黃的瞬間
至於為什麼要抓生蛋黃，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現，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，他們嘗試去抓形態相似的生蛋黃，結果成功了。
其次是頭髮絲。
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髮絲。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髮（圖片源自論文）
按理說，這麼輕巧的一隻機械手，應該只能在「小人國」裡施展才華，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後，機械手仍然完好無損，還能抓。
機械手抓起一個約400克的物品
那麼，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傑，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繞狀的形態，容量大，一次性能抓的更多，采摘效率也隨之提高了。」
尹傑還提到這項技術在可穿戴設備領域的應用前景。基於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，制作和人體關節高度貼合、能加熱的治療設備。這無疑是很多關節炎、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。比如他借鏡傳統川劇中的變臉，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。
機械手正在抓小魚/抓泡沫
那麼，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，變幻出形態各異的龐雜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》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。借鏡剪紙藝術，科學家們做出了一些模型，能夠實現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格狀剪法。這些方法都極為龐雜，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。
於是，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，靈感常在一瞬間湧入大腦。
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，想到可以從邊界曲率出發，來控制各個部分變形的動態和軌跡，這樣就能避免那些龐雜的局部設計了！只需關註剪切處的邊界形式，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。既創新了理論，又簡化了方法。
▲全華人團隊，從紮實到極致
洪堯燁在2015年畢業於南京航空太空大學機械工程及自動化專業，後赴美國波士頓大學求學，於2018年獲得碩士學位。同年8月，加入尹傑的實驗室。
洪堯燁
尹傑的實驗室屬於全世界最早進行剪紙研究的一批，在此之前就發表過相幹成果。
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。但尹傑一直鼓勵他，堅信這是一項有價值的工作。直到Nature Communications發來橄欖枝。
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新到應用驗證的紮實工作，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。
這也是尹傑對洪堯燁的評價：有追求極致的熱情，也有紮實吃苦的精神。
值得一提的是，這篇最新論文的全部作者都是華人。實際上，尹傑所帶的研究生，全部都來自中國。
在尹傑看來，他的每個研究生都像洪堯燁一樣，理論功底紮實，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。」
尹傑（右二）和學生們 受訪者供圖
這種心意體現在很多方面。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，令其能夠適用於更廣泛的結構。
論文資訊：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28187-x