Om du någonsin har öppnat ett paraply eller satt upp en hopfällbar stol, du har använt en utplacerbar struktur – ett objekt som kan övergå från ett kompakt tillstånd till ett utökat. Du har säkert märkt att sådana strukturer vanligtvis kräver ganska komplicerade låsmekanismer för att hålla dem på plats. Och, om du någonsin har försökt öppna ett paraply i vinden eller fälla ihop en särskilt snål hopfällbar stol, du vet att dagens utplacerbara strukturer inte alltid är tillförlitliga eller autonoma.

Nu, ett team av forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utnyttjat dominoeffekten för att designa deployerbara system som expanderar snabbt med en liten tryckning och är stabila och låsta på plats efter utplacering.

Forskningen publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

"I dag, multistabila strukturer används i en rad applikationer inklusive omkonfigurerbara arkitekturer, medicinska apparater, mjuka robotar, och utplacerbara solpaneler för rymd, sade Ahmad Zareei, en postdoktor i tillämpad matematik vid SEAS och första författare till uppsatsen. "Vanligtvis, att distribuera dessa strukturer, du behöver en komplicerad aktiveringsprocess men här, vi använder denna enkla dominoeffekt för att skapa en pålitlig distributionsprocess."

Mekaniskt sett, en dominoeffekt uppstår när en multistabil byggsten (dominon) växlar från sitt högenergitillstånd (stående) till sitt lågenergitillstånd (liggande), som svar på en extern stimulans som ett fingertryck. När den första dominon välter, den överför sin energi till sin granne, initierar en våg som sekventiellt växlar alla byggstenar från hög- till lågenergitillstånd.

Forskarna fokuserade på ett enkelt system av bistabila leder sammanlänkade med styva stänger. De visade först att genom att noggrant utforma kopplingarna mellan länkarna, övergångsvågor skulle kunna fortplanta sig genom hela strukturen – förvandla den initiala raka konfigurationen till en krökt. Sedan, använda dessa byggstenar, forskargruppen designade en utplacerbar kupol som kunde dyka upp från plattan med ett litet tryck.

"Att kunna förutsäga och programmera denna typ av mycket icke-linjärt beteende öppnar många möjligheter och har potentialen inte bara för att förvandla ytor och omkonfigurerbara enheter utan också för framdrivning i mjuk robotik, mekanisk logik, och kontrollerad energiabsorption, sa Katia Bertoldi, William och Ami Kuan Danoff professor i tillämpad mekanik vid SEAS och senior författare till studien.

Bertoldis labb arbetar också med att förstå och kontrollera övergångsvågor i tvådimensionella mekaniska metamaterial. I en färsk tidning, även publicerad i PNAS , teamet visade ett 2D-system där de kan styra riktningen, form, och hastighet för övergångsvågor genom att ändra formen eller styvheten hos byggstenarna och införliva defekter i materialen.

Forskarna designade material där vågorna rörde sig horisontellt, vertikalt, diagonalt, cirkulärt, och till och med vickade fram och tillbaka som en orm.

"Vårt arbete ökar avsevärt designutrymmet och funktionaliteten hos metamaterial, och öppnar upp en ny väg för att kontrollera deformationer i materialet vid önskade platser och hastighet, sade Ahmad Rafsanjani, en postdoktor vid SEAS och medförfattare till uppsatsen.

"Guidade övergångsvågor i multistabila mekaniska metamaterial" var medförfattare av Lishuai Jin, Romik Khajehtourian, Jochen Mueller, Vincent Tournat, och Dennis M. Kochmann.