研究人员创造了一种高分子“中国灯笼”结构，通过压缩或扭转原始结构，它能迅速转变为十多种弯曲的三维形状。这种快速变形行为可通过磁场远程控制，使其能应用于多种场景。相关研究论文《通过储存弹性能量实现自由悬挂带状簇元胞的可重编程折变形态发生》发表在《自然·材料》期刊上，论文作者包括北卡罗来纳州立大学的博士生蔡志（Caizhi Zhou ）和祁海涛（Haitao Qing），以及曾就读于该校、现于宾夕法尼亚大学从事博士后研究的易阳迪（Yinding Chi）。

这个基础灯笼结构是先将高分子薄片切割成类似菱形的平行四边形，接着在每片薄片的中心切割一排平行线，从而形成一排由薄片顶部和底部的实心条带相连的相同带状物。通过连接顶部和底部实心条带的左右两端，高分子薄片就形成了一个大致呈球形的中国灯笼状三维结构。

论文通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程学教授易杰（Jie Yin）表示，这个基础形状本身具有双稳态特性，即它有两种稳定形态。它当然可以稳定保持灯笼形状，但如果从顶部向下压缩该结构，它会慢慢开始变形，直至达到一个临界点，此时它会突然转变为第二种稳定形状，类似一个陀螺。在陀螺形状下，该结构储存了所有用于压缩它的能量。所以，一旦开始向上拉动该结构，就会达到一个节点，所有储存的能量会瞬间释放，使其迅速恢复成灯笼形状。

论文第一作者、曾就读于北卡罗来纳州立大学、现于宾夕法尼亚大学从事博士后研究的易阳迪称，他们发现通过对形状进行扭转、向内或向外折叠灯笼顶部或底部的实心条带，或者将这些操作进行任意组合，可以创造出许多其他形状。这些变化中的每一种也都具有多稳态特性。有些能在两种稳定状态之间来回切换，还有一种具有四种稳定状态，具体取决于是对结构进行压缩、扭转，还是同时进行压缩和扭转。

研究人员通过在结构底部的实心条带上附着一层薄薄的磁性薄膜，能够利用磁场远程压缩或扭转这些结构。随后，他们展示了利用两种稳定形状之间快速转变的几种应用，包括用于抓取鱼类的非侵入式夹具、通过开合来控制水流的过滤器，以及能快速从紧凑形状展开成高大形状以打开坍塌管道的结构。

研究人员还开发了一个数学模型，该模型能够捕捉结构中不同角度如何控制每种变化的形状以及每个稳定状态下储存的能量。易阳迪表示，这个模型让他们能够设定想要创造的形状、该形状的稳定性，以及在储存的势能转化为动能时该形状能产生的力量，而这些对于创造能够执行预期应用的形状至关重要。

易杰称，未来，这些灯笼单元可以组装成二维和三维结构，广泛应用于形状变形机械超材料和机器人领域，他们将进一步开展相关探索。