2020年5月，天津大学陈焱教授课题组受折纸启发，设计了一种具有可调节手性的螺旋结构，通过机构运动分岔实现了该结构左右手性之间的相互转化，并通过改变基本组成单元间的连接方式，实现了该结构从基本单元到整体结构间的层级手性传递。相关研究成果以“Helical structures with switchable and hierarchical chirality”为题发表在期刊Applied Physics Letters上( https://doi.org/10.1063/5.0005336)。
        研究背景：
        手性是生物和化学领域中的重要概念，指物体不能通过纯平移或旋转与其镜像相重合。手性对物体的力学、光学以及电磁学性能有着重要影响，是近年来生物、化学、材料等领域的研究热点。然而，由于加工方法和相关技术的制约，在人造结构或材料中实现不同手性的相互转换及手性的层级传递，具有很高的挑战性。针对这一问题，本项工作基于折纸技术设计了具有可调节手性的螺旋结构，并利用机构运动学理论实现了手性转换和层级手性传递。
        研究进展：
        作者首先以eggbox折纸结构为基础，构造了具有左手和右手手性的基本折纸单元，通过连接不同的单元，得到了具有不同手性的螺旋结构（图1）。进一步研究了该结构几何参数对其手性的影响，实现了该结构手性的调节。

图1 基于折纸的手性单元与螺旋结构

        对于人造结构而言，其手性通常在设计中已经确定。由于左右手性结构的构造不同，要实现手性转换必须改变其构型。作者利用刚性折纸与连杆机构的运动学等效性，将具有手性的折纸螺旋结构转换为杆件结构（图2），通过机构运动分岔，实现了该螺旋结构左右手手性间的转化。

图2 不同手性间的转化

        最后，作者通过改变手性单元间的连接方式，设计了一种具有层级手性的螺旋结构（图3）。该结构具有主次两条螺旋线，可实现手性从单元到整体结构之间的传递。进一步讨论了几何参数对该结构的螺旋特性及能量的影响。研究发现主次两条螺旋线虽然具有相同的手性，但其螺旋特性完全不同，使得该螺旋结构具有两个完全折叠构型。

图3 层级手性螺旋结构

        未来展望：
        此项工作为设计和制造手性超材料奠定了理论基础，将推动手性折纸结构在电磁超材料、航空航天多功能变形结构及仿生机器人中的应用。同时，它也为探索自然界中的手性机理提供了理论模型。