木工所研发具有优异折叠性能的可折叠竹子

从昆虫翅膀的灵活折叠到航天器的可展开结构，折纸设计正在推动材料从二维走向三维，也为柔性器件、医疗机械和智能机器人带来新可能。然而，现有折纸材料大多难以兼顾强度与可反复折叠性。竹子作为一种天然可再生材料，兼具高强度与独特细胞结构，是极具潜力的折纸材料载体，但仍面临折叠角度有限、耐折性不足和加工复杂等问题。针对这些挑战，研究借鉴隐翅虫翅膀折叠机制，通过竹材细胞微褶皱工程设计，开发出一种兼具高柔韧性、高耐折性和优异力学性能的超级可折叠竹子。

该研究具有如下五个亮点：突破性的耐折性能，可折叠竹子纵向耐折次数最高可达2.5万次，与竹材相比实现了数量级的飞跃，解决了生物基材料在柔性应用中易发生疲劳断裂的难题。创新的“微褶皱工程”机制，通过精准调控化学组分重构氢键网络，在细胞壁尺度诱导生成微褶皱结构，并结合热压工艺形成细胞互锁效应，同时，水性聚氨酯（WPU）通过渗透填充，从多尺度协同提升了材料的结构稳定性和柔韧性能。强韧兼具的力学表现，可折叠竹子在获得超高柔韧性的同时，横向断裂韧性提升19倍，横向拉伸强度提高58.93%，打破了传统材料中“强度与柔韧性不可兼得”的权衡限制。卓越的结构承载与三维构筑能力，质量仅3 g的可折叠竹子结构件可稳定承载其自重500倍的负荷，并且可以实现不同三维造型结构的动态可折叠构件制备。多功能集成属性，可折叠竹子兼具高透明度与高雾度特性，并具备优异的防水性能与喷墨打印适配性，使其在智能可穿戴基底及特种包装领域极具竞争力。

该研究受隐翅虫翅膀微结构启发，通过细胞微褶皱工程策略，结合化学组分调控与弹性体增强，制备出具有优异折叠性能与多功能性的可折叠竹子。通过选择性部分去除木质素和半纤维素、碱诱导纤维素溶胀与消晶化，增强纤维素柔韧性；氢键重构进一步诱导微纤丝聚集，构筑稳定的微褶皱结构，并增强细胞间摩擦与机械互锁；水性聚氨酯的渗透填充进一步强化了该结构。最终，可折叠竹子表现出优异的疏水性、超高耐折性以及超强的拉伸和耐破性能，其综合折叠性能甚至优于传统聚合物材料，并在3D结构设计和可穿戴器件等领域展现出广阔应用前景。

该研究以“Superfoldable Bamboo by Microwrinkling Engineering for 3D Origami Structures”为题发表于《ACS Nano》。木工所博士生吴婕妤为第一作者，林秋琴助理研究员、北京林业大学高强教授、南昆士兰大学宋平安教授以及木工所于文吉研究员为共同通讯作者。