文 | 中史华纳
编辑 | 中史华纳
研究者们面临着制作仿生、自驱动顺应系统演示器的寻衅，传统的3/4D打印和其他昂贵、繁芜且耗时的制造方法限定了演示器的数量和快速制造，为了战胜这一问题，他们寻求利用常见、经济实惠的材料构建低本钱的系统。
这些系统旨在模拟植物的变形和运动，如天国鸟花等，与以往的手工构造和外部机器力不同，这些新系统利用被动液压驱动作为紧张动力源。
研究者选择了纸张和木材作为基本材料，由于它们在水合和脱水过程中具有明显的膨胀和紧缩能力，可以用来推动系统的运动。这种材料选择供应了本钱效益高、自驱动的方法，知足了他们的研究需求。
01材料和方法
在所有的模型中，研究者选择了干燥驱动的运动机制，从实用的角度来看，这种类型的驱动机制更随意马虎实现（相对付基于吸水和膨胀的机制），并且供应了更广泛的设计空间。
由于这些构造不须要置于湿润的环境（例如水盆）或相对湿度较高的房间中以勾引膨胀和运动。
除了维纳斯捕蝇草模型利用了纸-聚合物片组合外，所有其他生物观点天生器的运动都被抽象并运用到了纸质模型上。
研究者选择了“PERGA Pastel”纸（重量：100 g/m²）作为驱动层（AL），以及利用建筑纸“Tonpapier Weiß”（重量：130 g/m²）作为电阻层 (RL)。
每种类型纸张的纤维方向决定了设想模型的运动相应，这可以通过宏不雅观不雅观察或放大镜来感知，当纸张沿着纤维方向撕裂时，会产生平滑的撕裂，而逆纤维方向的撕裂则会更加磨损且不规则。
制作模型时，首先将驱动层（AL）浸泡在水箱中约 5 分钟，直到完备浸透，与此同时，在电阻层 (RL) 的相应连接区域上涂抹一层UHU Max Repair 胶薄膜。
然后小心地将这两层连接在一起，并将它们放置在干燥的环境中，驱动层 (AL) 在干燥时会紧缩，结合了电阻层 (RL) 的电阻特性，从而决定了模型的变形和运动。
模拟维纳斯捕蝇草花鞘中存在的扭曲屈曲事理，可以通过以下步骤运用到纸质模型中，这须要利用具有中央狭缝和纵向纤维取向的电阻层 (RL) 的矩形纸，以及两个具有折叠边缘的纸瓣（即复印纸），这些纸瓣可以具有任何纤维取向。
02耶利哥假玫瑰
在耶利哥假玫瑰这种天然鳞叶植物中存在的复合构造被抽象并成功地转移到了纸质模型中，从纸张中切出一个小圆形，用作中央粘合点，无论纤维取向如何。
制作了多个独立的双层"茎"，由带有纵向纤维取向的干燥电阻层 (RL) 粘合到带有横向纤维取向的湿润驱动层 (AL) 相同形状的部分上，末了，这些"茎"被粘合到中间点上，完成了模型的构建。
另一个模型涉及到模拟食肉水车植物的捕捉器，将其波折折叠征象成功地抽象并运用到了纸质模型中，一张圆形纸被折叠，形成一个椭圆形的中间透镜，代表自然陷阱的中脉，构成了我们模型中的电阻层 (RL)。
纸张的纤维方向应沿着该透镜的长度方向，湿润的驱动层 (AL) 与 RL（透镜）具有相同的椭圆形状，但具有横向纤维方向，它们被粘合在底部，模型的别的部分是将圆纸的折痕向上折叠，从外部看形成突出的侧折片，这在折叠过程中透镜会轻微呈拱形。
百合花的花瓣变形事理也被成功地抽象并转移到了纸模型中，利用具有纵向纤维取向的椭圆形电阻层 (RL)。
为驱动层 (AL) 制作另一个形状相同但具有横向纤维方向的椭圆，然后以仅保留上边缘的办法进行切割，接下来将该边缘粘合到 RL 上，从而创建了一个双层区域，为了支撑模型，还利用了纸板和胶带制作了一个支架。
模拟豆类的开放机制的模型也通过将两个阀门构建为双层来实现，这两个阀门中的 RL 都具有纵向纤维方向，而两个湿润的 AL 具有相对付其纵轴成 45° 的相反纤维方向。
在指定区域利用双面胶带（3M 928 Transferklebeband）连接了最初的两个直立的阀门。
还制作了一个纸聚合物模型，以仿照捕蝇草的卡扣屈曲不稳定性，这一模型利用湿润的 AL 纸和胶水，并通过切割夹子的不透明较厚的一侧来得到聚合物片材。
03肉食性维纳斯捕蝇草的捕蝇器
突袭不稳定性，常日用于加速捕蝇草中陷阱的闭合速率，已成功地转移到了纸聚合物模型中，这一模型中的构建步骤包括从聚合物片上取下一条带，将其用作电阻层 (RL)，并在此过程中实现引人瞩目的曲率反转。
这种反转是通过两个最初是湿的驱动层 (AL) 紧缩的过程引发的，湿润的 AL 被粘合在带材上，使其纤维方向与带材的纵轴横向，这一模型旨在模拟捕蝇草中的卡扣屈曲不稳定性。
同样地，木质聚合物模型采取了干燥驱动运动机制，用于模拟A. vesiculosa运动，这一构造所需的材料包括家用绳子、夹子和五个木质单板条，这些单板条从较大的单板上切割而来，尺寸为 20 × 190 × 0.5 毫米。
四根单板条被垂直于木纹（用作驱动区）切割，而一根单板条文平行于木纹（用作阻力区）切割，这些条带在浸泡水中一段韶光后，利用防水木胶相互粘合，形成了五层复合骨架，然后，将这些复合骨架条带放置在木板上，条带与木板平行。
接下来，将脊椎夹在稍大的木板之间，以确保主干在夹紧期间保持笔直，为了防止木板与木条直接打仗，透明的聚合物片充当了木板的"盖子"，将夹子固定在木板上，然后将全体构造在室温下放置两个小时。
聚合物片材用于模拟捕蝇草的卡扣屈曲不稳定性，从聚合物片材上取下条带，充当电阻层 (RL)，并在个中实现引人瞩目的曲率反转，湿润的驱动层 (AL) 被粘合在带材上，使其纤维方向与带材的纵轴横向，这一模型旨在模拟捕蝇草中的卡扣屈曲不稳定性。
04纸质模型
在测试模型中，全体干燥过程引发了引人瞩目的波折和变形，各个部分的运动过程如下：
最初向上定向的皮瓣逐渐向下横向波折，这一过程持续了约 22 分钟，其曲率变革由AR/AL 双层的紧缩速率决定，这使全体构造打开，类似于自然中花鞘在授粉鸟的重力浸染下打开的过程。
模型中的人工“陷阱”在 72 分钟内完备闭合，镜片（肋）在干燥过程中逐渐波折，将侧向褶皱拉在一起，从而实现了模拟天然陷阱瓣的闭合状态，在闭合状态下，褶皱相互挤压。
花瓣模型在干燥过程中显示出引人瞩目的波折变形，这一过程在 42 分钟后完成，与自然花瓣的绽放运动非常相似。
阀门模型中的阀门在干燥过程中发生了变形，导致在 33 分钟后迅速分裂，在自然种荚中，这种分裂会导致种子散落，两个阀门连续反向旋转，直到 52 分钟后实现最大种荚打开状态。
这些模型中利用了夹紧系统，以在初始状态下安装具有两个 AL 的聚合物板带，这些带具有“向外”曲率，随着干燥的进行，AL 的紧缩导致带材连续变形，直到在 t = 29 分钟时溘然“向内”翻转。
五层复合股料主干的干燥以及聚合物片材的波折和折叠过程在大约 24-48 小时后完成。
虽然无法丈量所需的驱动力，但可以不雅观察到曲率半径、木质主干曲率半径以及 Flectofold 类构造闭合过程中的最大闭合角度之间的关系。
曲率半径为 200 和 250 mm 的两个构造的闭合运动可以在补充材料中跟踪，同时还包括曲率半径为 330 和 500 mm 的两个构造的***。
这些模型的运动过程在韶光上经历了繁芜的变革，模拟了自然界中植物的成长和运动过程。
结论这些模型并不是为了充当“产品演示者”或研发方法中的类似里程碑而开拓的，这只能通过精确的增材制造和其他可靠的方法来实现。
相反，模型该当被视为易于实现的功能演示器，用于某些功能的观点验证，以及作为实现某些功能的手段。
教授植物构造、力学和运动的“手动理解”，特殊是低建造本钱和大略省时的制造程序许可生产大量的物理模型和模型代。
在传授教化过程中，学生能够开拓运动植物构造的技能对应物，并通过此类建模演示物理上精确的运动驱动或变形过程。
抽象生物事情事理并将其转化为技能材料的过程须要学生丰富的想法和空间想象力，他们可以遵照一组解释或自己的灵感，这对学习产生巨大的勉励浸染，并在植物启示的技能运用和生物模型中加深对基本机器事理的理解。
