今天上课没收的“机械手”……怎么是一张纸？？？ | 正经玩

今天

小编一如既往地在实验室带薪摸鱼

没想到

导师突然过来查岗

当导师怀疑的目光移向我手中的

白纸和剪刀……

我急急急急中生智解释道：

冤……冤枉啊！

我这是在研制一款绝妙的机械手！

不信您看——

实验器材

纸、小物件(例如小橘子、乒乓球)、笔、剪刀、裁纸刀、所标杯

实验步骤

第一步：

从打印纸上剪下一个正方形，将其沿中线对折两次，得到一个四层厚的小正方形备用。

第二步：

在正方形上绘制裁剪图案。绘制时需注意，必须让正方形的开口侧朝外。

所画图案的示意图如下所示。图案本身需设计为上下、左右皆对称的镜面结构，其对称精度是决定实验成功与否的关键。

第三步：

用剪刀沿所画图案外部轮廓剪开。

用裁纸刀裁开内部画线，注意不要裁断外缘。使用裁纸刀时建议垫上切割垫，儿童操作请在成人指导下进行。

第四步：

轻轻展开剪好的形状，压平折痕并且调整纸的弯曲方向，使其呈现自然的抓取姿态。

第五步：

抓剪纸机械手的两端，轻轻向外拉伸，使其环抱并提起一个小物件（如小橘子或乒乓球）。我们发现这个看似单薄的结构，却能稳稳抓起物体，展现出远超其外观的承载力，其力学性能在特定几何结构下得到了充分体现。

即使是简化版本，也能成功抓取并提起较轻物体。

原理解说

剪纸艺术，作为中国最古老的民间艺术之一，可以通过切割来引导二维到三维的变形。

纸张上特定的切口破坏了平面的稳定性，使得纸张可以摆脱完美小学二年级学过的“高斯绝妙定理”的限制。当你拉伸它时，原本二维平面的纸张为了释放应力，被迫向三维空间屈曲，可以变成三维的抓取形态。

这个我们在家里用一张纸就能复刻的剪纸机械手，其实灵感来源于科学家们的前沿研究。

近年，科学家们发现，一张简单的有特定切口的四瓣花形纸片可以作为一个柔软又灵活的仿生机械手，可以像人手一样实现不同的抓握姿态。

四瓣花形剪纸机械手 | 来源：Sci. Robot.6,eabd6426(2021).

这种剪纸机械手可以灵活地抓取各种大小形状各异的物品。由于纸张的柔软特性，它可以温柔无伤地抓取娇嫩的覆盆子果实。它还可以抓取微小的药片甚至沙粒。

剪纸机械手抓取各种物品  | 来源：Sci. Robot.6,eabd6426(2021).

由于制作成本极低，剪纸机械手很容易批量生产。还可以串联或者并联多个抓取单元，它们能够抓取细长物体或同时操控多个目标。

串联/并联的剪纸机械手 | 来源：Sci. Robot.6,eabd6426(2021).

后来，其他科学家团队还设计出了升级版的可编程的机械手，可以通过裁剪特定形状的纸片，可以精准控制机械手的抓取动作。

根据小学三年级学到的高斯-博内定理，可以通过设计边界曲率（比如圆形纸片）精准预测三维弯曲形态的高斯曲率。

升级版机械手 | 来源：Nat Commun 13, 530 (2022). 

根据这种可编程形态学，科学家们用剪纸设计了一款捕蝇草形状的精密无创手术用机械手。

这种机械手可以超轻柔地包裹目标物而不产生挤压，适用于无损抓取脆弱的生物体，比如娇嫩的生鸡蛋黄。它不仅有贴合性和自适应性，机械强度也很高，可以抓起超过自身重量1000倍的物体，比如砝码。

机械手抓取娇嫩的生鸡蛋黄 | 来源：Nat Commun 13, 530 (2022). 

机械手捕捉活鱼 | 来源：Nat Commun 13, 530 (2022). 

机械手抓起砝码 | 来源：Nat Commun 13, 530 (2022). 

剪纸艺术在科学中的应用非常丰富，不仅限于制作机械手。在剪纸机械手出现之前，剪纸艺术很早就被科学家玩出各种花样了。比如，科学家们还尝试用剪纸结构仿蛇皮制作过可以动态调整摩擦力的鞋底：

可以动态调整摩擦力的鞋底 | 来源：Nat Biomed Eng 4, 778–786 (2020). 

甚至还有纳米剪纸科学。比如利用纳米精度的剪纸结构，可以制作具有光学手征性的超材料，用于生物分子识别、偏振显示、光通信等方面。

具有光学手征性的纳米剪纸 | 来源：Sci. Adv.4,eaat4436(2018).

又比如，科学家们最近还利用剪纸-折纸协同设计，研制出可以智能调控的雷达隐身超材料：

雷达隐身超材料 | 来源：Adv. Funct. Mater. (2025): e15206.

从古老的窗花到前沿的柔性电子，从微纳尺度的光子器件到宏观的航空航天，剪纸不仅是一种装饰艺术，还是一种结构科学。通过巧妙的几何结构的设计，普通的小纸片，也能拥有非凡的超能力。

同学们不妨将目光收回到手中的剪刀和小纸片上，尝试设计一款属于自己的独特的剪纸机械手（比如调整纸片的形状、切口的形状等）或者其他的剪纸结构。没准下一个划时代的剪纸黑科技，就诞生在你的书桌上！