麻省理工学院研究人员开发出一种新型基于折纸原理的建筑方法，可用于建造比传统技术更便宜、更易组装且用料更少的复杂结构。
这套可扩展系统简化了从模块化组件设计轻质、刚性结构外壳的流程。这些组件可由平面材料制成，然后折叠成型。
组装单元使用简单工具通过一套万无一失的组装流程连接，构建出更大的网格结构。它们共同形成一个坚固的承重结构外壳，无需内部支撑柱。
这种方法尤其适合用于灾难救援庇护所的建造，这类庇护所需要快速制造、以平板形式高效运输，并由工人在地震或洪灾现场迅速搭建完成。它也可用于开发飞机或模块化机器人的轻质高强度部件，或是建筑领域的隔音板、建筑外墙等构件。
研究人员的这项技术所生成的结构，刚度可达其他某些结构折纸技术所制结构的数倍，而所需材料仅约为后者的三分之二。这使其成为一种更具可持续性的建造方式。
除开发小型原型外，研究人员还通过制造一座房间大小的折叠铝制雕塑展示了该方法的可扩展性，这座雕塑近期悬挂于波士顿公共图书馆，作为年度Fab实验室大会及研讨会开幕展览的一部分展出。
"这项工作表明，数字制造的力量可以超越个人制作项目的范畴，开始触及现实世界，改进我们设计房屋和大型结构的方式。我们正在建筑尺度上展示结构折纸技术，"麻省理工学院比特与原子中心（CBA）研究生、该方法相关论文第一作者阿尔方索·帕拉·鲁比奥说。
与他共同撰写该论文的还有：意大利博洛尼亚大学研究员里卡多·福斯基；奥地利因斯布鲁克大学高级科学家鲁珀特·马勒奇克；东京大学教授立川富人；以及论文通讯作者、麻省理工学院教授兼CBA主任尼尔·格申菲尔德。该研究发表于《国际固体与结构期刊》。
轻质刚性组件
研究人员的灵感来自艺术家兼科学家罗恩·雷施在1960年代开发的折叠镶嵌图案。雷施利用多边形单元细胞的重复图案来创建复杂的三维结构（类似蜂窝状）。
但与雷施的镶嵌图案不同的是，研究人员并非用一整块折叠材料来制作形状，而是分别折叠各个单元细胞，再将它们连接起来形成三维结构。
通过设计独立的基础构件，他们能够简化制造流程并创建更复杂的形状。
在立川实验室工作期间，帕拉·鲁比奥开发出一种方法，可将雷施镶嵌图案中两个三足形单元细胞组合成一个自由度为零的构件——这意味着该构件完全刚性且被锁定固定。
这些刚性构件可连接成一个由交织梁组成的网络，形成具有极高刚度和稳定性，同时重量极轻的三维结构。
"这有助于我们在建造坚固结构的同时，最大限度减少所用材料，"帕拉·鲁比奥解释道。
然而，要手动设计出能满足用户约束条件的多边形构件，将面临巨大挑战。
为简化这一流程，帕拉·鲁比奥与CBA研究生埃里克·斯特兰德合作，开发了一种自动求解器，可设计出一系列能够制造出用户所需结构的可制造单元细胞。这些设计文件可输入数控铣床，由其自动从铝等平面材料上切割出构件。
"在计算部分，我们将这个大问题拆分成许多小的子问题。现在，我们先独立求解每个细胞，确保它能够折叠成型，然后再进行全局组装，"斯特兰德说。
简化组装流程
建造者仅使用螺丝刀等手动工具，将各个单元折叠成型并组装成成品结构。
整个组装过程不需要任何大型焊接设备，这使其比某些其他建造方式更简单、更快速、更经济。此外，单元细胞的设计使其在结构组装过程中能够自然调整至正确形状。
"由于单元细胞的设计方式，该结构只能以一种配置存在。虽然每个单元细胞各不相同，但连接方式在各处都是相同的，"帕拉·鲁比奥说。
模拟结果表明，这种方法所得结构的刚度约为其他某些基于折纸技术方法所得结构的3.5倍，同时用料更少。此外，帕拉·鲁比奥补充说，由此产生的结构强度足以满足某些建筑应用需求。
为展示这种方法的多样性，研究人员用折叠铝板组装了一座23英尺高的雕塑，并悬挂于波士顿公共图书馆中庭的天花板上。帕拉·鲁比奥表示，一支没有专业建筑经验的团队在短短几天内就完成了整个结构的建造。
"能以这样快的节奏参与一项理论真正与实际应用相结合的工作，真的很有趣。我们必须深入思考如何调整设计以实现每一个目标，"斯特兰德说。
未来，研究人员希望在更大型的建筑结构中测试这种方法。他们还希望探索使用具有更复杂几何形状的单元细胞——这可能带来更强的强度或刚度，并开发一个用户友好的设计界面。
"这项工作表明，折叠金属是一种已经可以用于建造结构的方法。现在我们已经能够将其做得足够大、足够强，可以把它从实验室带到施工现场，"格申菲尔德说。
"在建筑、工程和施工行业中，复杂结构的交付往往经过设计、工程、制造和施工团队之间碎片化的一系列交接，每一次转换都可能产生协调失误、重复工作以及设计意图丢失的风险。通过将几何、结构性能和组装智能直接嵌入每个模块，鲁比奥的方法在从设计到安装的整个过程中保持了无缝的数字连贯性，从而在确保精确执行的同时实现了前所未有的定制化，"项目安装专业公司SumPoint联合创始人、麻省理工学院2014届硕士及建筑学硕士詹姆斯·科尔曼说。
科尔曼从事复杂建筑项目的制造与安装设计工作，未参与此项研究。
这项研究部分资助来自比特与原子中心研究联盟、意大利博洛尼亚大学以及奥地利研究局。
