用传统的机械手去抓起一枚生鸡蛋，非常困难，因为在对其施加压力的过程中，很容易把蛋壳弄碎。但是洪尧烨制作出的这款剪纸机械抓手，别说是生鸡蛋了，它甚至能够抓起一枚生蛋黄，而且不会把它弄碎。

抓取时的动态轨迹，很像一双轻柔的手，把物品缓缓绕住，然后捧起它。

这个过程看起来极具美感，像浮动的水母，吞下了一只圆圆的小鱼。而这一切，都仅仅来自于一张再普通不过的pet薄片。

抓取生蛋黄的瞬间

至于为什么要抓生蛋黄，洪尧烨解释道，是为了追求极致。

一开始他们尝试抓豆腐，很轻松。但在考虑生物研究应用的时候发现，很多海洋生物都是凝胶状的，既容易破碎，又很滑。为了更好地验证技术的应用性，他们尝试去抓形态相似的生蛋黄，结果成功了。

其次是头发丝。

这款机械手不仅能够完好无损地抓起易碎品，还能精准抓取一根人类的头发丝。在轻柔度和精确度上，都达到了极致。

图a-b:柔性抓手包裹一条水中的鱼 c:柔性抓手抓取生的鹌鹑蛋黄且不破坏蛋黄的结构 d:柔性抓手抓取人的头发（图片源自论文）

按理说，这么轻巧的一只机械手，应该只能在“小人国”里施展才华，但实际上，它还是当之无愧的“大力士”，能够抓起超过自重1000倍的物品。

为此，洪尧烨做了近1500次实验，让它抓住、移动、放下重达400克的东西。重复这个动作上千次后，机械手仍然完好无损，还能抓。

机械手抓起一个约400克的物品

那么，如果将这款机械手放大，或者替换材料，它是不是就能完成更艰难的任务了？

的确如此。为了帮助理解这项技术的应用前景，洪尧烨的导师、北卡罗莱纳州立大学工学院的副教授尹杰，向《中国科学报》举了很多生动的例子：

“比如摘黑莓、抓鱼，很多需要无损伤采摘的地方，都用得到这项技术。而且因为它是一个环绕状的形态，容量大，一次性能抓的更多，采摘效率也随之提高了。”

尹杰还提到这项技术在可穿戴设备领域的应用前景。基于它的灵活性和高贴合度，未来可以将其集成到柔性机器人技术当中，制作和人体关节高度贴合、能加热的治疗设备。这无疑是很多关节炎、痛风患者的福音。

好用之外，这项技术也很好看。

洪尧烨把它跟视觉艺术结合在一起，做了很多有趣的尝试。比如他借鉴传统川剧中的变脸，做了一套“表情包”，让一张微笑着的人脸瞬间“哭泣”，或者“戴上眼镜”。

图a-c:单向拉伸产生的可变换表情的人脸结构

▲当剪纸艺术，碰上数学灵感

在机械工程领域，能将研究思路转化为实际应用，是衡量研究价值的重要指标。为此，洪尧烨制作出了这款精巧的机械抓手。

机械手正在抓小鱼/抓泡沫

那么，他的研究思路是如何成型的呢？要知道，他最初的目标是生蛋，结果做着做着，就连滑溜溜的生蛋黄，都抓起来了。

这可以追溯到一种剪纸艺术——kirigami，它在中国和日本都流传已久。

平时我们常见的3D贺卡，就是这种剪纸技艺在生活中的直观应用。一张2D纸片，能在打开的瞬间，变幻出形态各异的复杂3D体，如同穿透次元的魔术。连科学家都为此着迷。

从2015年开始，科学界就对这种剪纸艺术产生了兴趣，尝试将它和科学结合起来。

《道德经》中有句话，叫“天下之至柔，驰骋天下之至坚”。看似柔软流动的东西，反而拥有无穷的力量。借鉴剪纸艺术，科学家们做出了一些模型，能够实现2D材料到3D结构的转换。

其中比较有代表性的，都是以多边形为单元结构的网格状剪法。这些方法都极为复杂，需要单独对不同局部的剪切进行设计，如形状大小、排列方式等，实在太繁琐了。

于是，洪尧烨和导师讨论，有没有比这个更简单的方法？

做科研和搞艺术有时候很像，比如，灵感常在一瞬间涌入大脑。

洪尧烨在选修的微分几何课上，接触到了高斯-博内定理。他灵光一现，想到可以从边界曲率出发，来控制各个部分变形的动态和轨迹，这样就能避免那些复杂的局部设计了！只需关注剪切处的边界形式，就能得到不同的3D结构。

顺着这个思路，洪尧烨设计出了一种只需考虑边界曲率，就能将2D转为3D的形状可编程材料技术。既创新了理论，又简化了方法。

▲全华人团队，从扎实到极致

洪尧烨在2015年毕业于南京航空航天大学机械工程及自动化专业，后赴美国波士顿大学求学，于2018年获得硕士学位。同年8月，加入尹杰的实验室。

洪尧烨

尹杰的实验室属于全世界最早进行剪纸研究的一批，在此之前就发表过相关成果。

洪尧烨说，这篇论文一开始投过其他期刊，但被拒稿了。因为这是他担任一作的首篇论文，投稿受挫，让他一度陷入沮丧。但尹杰一直鼓励他，坚信这是一项有价值的工作。直到Nature Communications发来橄榄枝。

三位评审专家都对此给出了很高的评价，认为这是一项从理论创新到应用验证的扎实工作，让科学和艺术得到了极致的融合。与此同时，提出了一种比较简单的逆向设计方法，应用前景可观。

这也是尹杰对洪尧烨的评价：有追求极致的热情，也有扎实吃苦的精神。

值得一提的是，这篇最新论文的全部作者都是华人。实际上，尹杰所带的研究生，全部都来自中国。

在尹杰看来，他的每个研究生都像洪尧烨一样，理论功底扎实，勤奋好学。他对这些学生的评价很高，也有着一种天然的责任感，“学生们都处在人生和科研的黄金阶段，身为他们的导师，应该珍惜时间，带领他们多做一些有价值的产出。”

尹杰（右二）和学生们 受访者供图

这种心意体现在很多方面。比如，在全美中奖率只有7%的背景下，洪尧烨的这项工作仍然得到了美国国家科学基金会的资助。

接下来，洪尧烨希望可以在理论上做出更多探索，令其能够适用于更广泛的结构。

论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28187-x