Designkoncept och demonstration av 2D multistabila mekaniska metamaterial med X-formade kirigami-mikrostrukturer. (A) Schematisk illustration av den hierarkiska konstruktionen av ett 2D multistabilt mekaniskt metamaterial, inklusive de åttakantiga cellerna, X-formad byggstensstruktur, och kirigami-mikrostrukturer. (B) Optiska bilder och FEA-resultat av kirigami-mikrostrukturerna vid odeformerade, sträckt, och komprimerade tillstånd. (C) Nominell spännings-töjningskurva för kirigami-mikrostrukturen i (B), under både den enaxliga spänningen och kompressionen. (D) Optiska bilder och FEA-resultat av de tre olika stabila konfigurationerna av den 3D-printade X-formade byggstensstrukturen. (E) Beroende av den normaliserade kraften och den normaliserade töjningsenergin på den horisontella förskjutningen som appliceras på den X-formade tristabila byggstensstrukturen i (D). A betecknar tvärsnittsarean av mikrostrukturen; Ec och Et betecknar kompressions- och dragmodulerna, respektive; d anger avståndet markerat i (D). (F) Experimentell demonstration av de stabila konfigurationerna av en oktagonal cell i det mekaniska metamaterialet. De röda pilarna anger i vilka riktningar de horisontella och vertikala anslutningsstängerna rör sig. Mellantillståndet där ingen anslutningsstång rör sig markeras med en röd streckad ram. (G) Experimentell demonstration av fem representativa stabila konfigurationer av ett 3D-printat mekaniskt metamaterial med samma geometriska parametrar som i (A). Skala staplar, 1 mm (B), 5 mm (D och F), och 25 mm (G). Fotokrediter:Hang Zhang, Tsinghua-universitetet. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abf1966
Multistabila mekaniska metamaterial är konstgjorda material vars mikroarkitektur erbjuder mer än två olika stabila konfigurationer. Befintliga mekaniska metamaterial förlitar sig på origami eller kirigami-baserade konstruktioner med genomsnäppningsinstabilitet och mikrostrukturerade mjuka mekanismer. Skalbara strukturer som kan byggas av mekaniska metamaterial med ett extremt stort antal programmerbara stabila konfigurationer förblir svårfångade. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Hang Zhang och ett forskarteam inom teknik, elektronik, och avancerad strukturteknik i Beijing Kina, använde den elastiska drag/kompressionsasymmetrin hos kirigami-mikrostrukturer för att designa en klass av X-formade tristabila strukturer. Teamet använde dessa konstruktioner som byggstenselement för att bygga hierarkiska mekaniska metamaterial med endimensionella cylindriska geometrier, 2D kvadratiska gitter och 3D kubiska eller oktaedriska gitter med flerriktad multistabilitet. Antalet stabila tillstånd ökade med cellantalet mekaniska metamaterial som ingår i arbetet, och den mångsidiga multistabiliteten och den strukturella mångfalden visade tillämpningar inom mekaniska ternära logiska operatörer med ovanliga funktioner.
Mekaniska metamaterial
Mekaniska metamaterial är en typ av konstgjorda material som består av periodiska mikrostrukturer med arkitekturer utformade för att erbjuda mekaniska egenskaper som överträffar konventionella material. Trots framsteg på området, det är fortfarande en utmaning att designa hierarkiska metamaterial med olika stabila tillstånd och exakt skräddarsydda steady-state egenskaper. I det här arbetet, Zhang et al. introducerade en klass av X-formade kirigami-mikrostrukturer som tristabila byggstenselement med början från ett bottom-up-schema för att uppnå hierarkiska mekaniska metamaterial, med ett ökat antal stabila stater. Den elastiska drag-kompressiva asymmetrin hos kirigami-mikrostrukturer och den oberoende kontrollerade tristabiliteten hos de hierarkiska metamaterialen gjorde det möjligt för dem att realisera kontrollerade lågfrekventa vibrationer längs olika riktningar i planet för önskade funktioner, inklusive brusdämpning och olinjär kommunikation.
Multistabila mekaniska metamaterial med hierarkiska konstruktioner
Bottom-up designstrategi och demonstration av 3D multistabila mekaniska metamaterial. (A) Schematisk illustration av ett vridningsmultistabilt mekaniskt metamaterial bestående av fyra individuellt adresserbara lager. Varje lager består av en drivring, en begränsningsring, gångjärn, ett lager, och en X-formad byggstensstruktur. (B) Optiska bilder och FEA-resultat av fem representativa stabila konfigurationer av ett 3D-tryckt vridningsmekaniskt metamaterial med samma geometriska parametrar som i (A). (C) Schematisk illustration av de kubiska och oktaedriska multistabila mekaniska metamaterialen. De orangea och röda streckade linjerna indikerar rotationsaxlarna för den åttakantiga cellen för att bilda mekaniska 3D-metamaterial. (D) Experimentell demonstration av tre representativa stabila konfigurationer av de 3D-printade kubiska och oktaedriska multistabila mekaniska metamaterialen. Skala staplar, 15 mm. Fotokrediter:Hang Zhang, Tsinghua-universitetet. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abf1966
Teamet genomförde kvantitativ mekanisk modellering av de X-formade kirigami-mikrostrukturerna baserat på finita elementanalyser. Resultaten indikerade en böjningsdominerad deformationsmekanism under enaxlig sträckning med en mycket lägre dragmodul och kompressionsmodul. Den beräknade töjningsenergin indikerade tre minimipunkter för att bekräfta instabiliteten hos den X-formade byggstensstrukturen. Forskarna presenterade också multistabila mekaniska metamaterial med 1-D cylindriska geometrier och 3D kubiska eller oktaedriska gitter. Designen möjliggjorde ytterligare två stabila konfigurationer baserade på medurs eller moturs rotationer, vilket framgår av energiprofilen. Den åttakantiga cellen erbjöd upp till 3 20 stabila konfigurationer i teorin, som hittills varit otillgänglig. Det extrema antalet stabila tillstånd gav ett lovande koncept för informationsbehandling som visas med mekaniska ternära logiska grindar och kombinerade logiska operatorer.
Design och experimentell demonstration av den åttakantiga cellen. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abf1966
Förhållandet mellan mekaniska egenskaper och geometriska konstruktioner av kirigami-mikrostrukturer och X-formade byggstensstrukturer
Forskarna försökte sedan förstå förhållandet mellan mikrostruktur och egenskaper för att bedöma den hierarkiska utformningen av de föreslagna multistabila mekaniska metamaterialen. För att åstadkomma detta, de fokuserade på den X-formade byggstensstrukturen och etablerade kopplingen mellan dess nyckelgeometriska parametrar till det resulterande energilandskapet. Teamet delade in de geometriska parametrarna i två kategorier, en relaterad till kirigami-mikrostrukturen och den andra till den X-formade kompositen. De utvecklade sedan en teoretisk modell med ändlig deformation för att förutsäga spännings-töjningskurvan för kirigami-mikrostrukturen, där de teoretiska resultaten stämde väl överens med experimenten. Teamet ökade ytterligare kompressionsmodulen för kirigami-mikrostrukturerna genom att ersätta anslutningsområdet med hårda polymerer. De simulerade mikrostrukturerna som deformerades under spänning och kompression stämde också bra överens med de optiska bilderna.
Mikrostruktur-egenskapsförhållandet för den X-formade byggstensstrukturen. (A) Schematisk illustration av kirigami-mikrostrukturen och de viktigaste designparametrarna. (B) Experimentella och FEA-resultat av dragspännings-töjningskurvorna för kirigami-mikrostrukturen med en rad olika normaliserade skärlängder (l¯1=l1/a och l¯2=l2/a). (C) Konturdiagram av den effektiva elasticitetsmodulen för kirigami-mikrostrukturen med avseende på de normaliserade skärlängderna (l¯1 och l¯2). (D) Experimentella och FEA-resultat av drag- och tryckspännings-töjningskurvor av kirigami-mikrostrukturen med homogena och sammansatta konstruktioner. (E) Optiska bilder och FEA-resultat av den sammansatta kirigami-mikrostrukturen vid olika laddningstillstånd [markerade i (D)]. (F) Schematisk illustration av den X-formade byggstensstrukturen. De viktigaste designparametrarna inkluderar modulförhållandet (η =Ec/Et) för kirigami-mikrostrukturen under kompression till den under spänning, vinkeln θ för den X-formade strukturen, och längdförhållandet (L/L0). (G) Optiska bilder och FEA-resultat av de två stabila konfigurationerna av X-formade byggstensstrukturer med θ =25° och 40° (vänster och höger) för fast längdförhållande (L/L0 =0,64). (H) Last-förskjutningskurvor för den homogena X-formade byggstensstrukturen med olika vinklar (θ), för fast modulförhållande (η =101) och längdförhållande (L/L0 =0,64). (I) Liknande resultat i fallet med olika längdförhållanden (L/L0) för fast modulförhållande (η =101) och vinkel (θ =30°). (J) Last-förskjutningskurvor för den sammansatta X-formade byggstensstrukturen med olika vinklar (θ) för fast modulförhållande (η =240) och längdförhållande (L/L0 =0,64). Skala staplar, 1 mm (E) och 5 mm (G). Fotokrediter:Hang Zhang, Tsinghua University. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abf1966
Mekaniska ternära grindar
Flexibiliteten hos den X-formade tristabila byggstensstrukturen möjliggjorde tillämpningar av mekanisk ternär logikfunktion, vilket inte kunde uppnås med hjälp av bistabila byggstenar. Till exempel, med mekaniska system som presenterats i tidigare arbete, det var mycket utmanande att kombinera många grundläggande grindar för komplexa logiska operationer. Jämförelsevis, ternär logikoperation kunde överföra en större mängd information samtidigt som ett reducerat antal grundläggande grindar användes för att slutföra samma operation och visade fördelar i fuzzy logik och signalbehandling. Teamet presenterade vidare en mekanisk ternär NOT-grind som består av två moduler inklusive en analog-till-digital-omvandlare och en digital förskjutningsprocessor. De realiserade analog-till-digital-omvandlaren med hjälp av den X-formade tristabila byggstensstrukturen och utvecklade den digitala förskjutningsprocessorn för att vända riktningen på ingångsförskjutningen och genomförde experimentella demonstrationer av funktionaliteten hos den tillverkade NOT-grinden.
Den ternära logiska operationen för OCH- och ELLER-grindar var mer komplicerad jämfört med binära operatorer. Flexibiliteten i den modulära designen underlättade komplexa logiska operationer baserade på de grundläggande grindarna. Det stora antalet stabila tillstånd som underlättas med multistabila mekaniska metamaterial möjliggjorde komplexa ternära operationer av flera ingångar. Till exempel, en logisk operatör baserad på ett mekaniskt metamaterial fungerade som en analog-till-digital-omvandlare integrerad med en specialdesignad digital förskjutningsprocessor för att realisera en komplex måloperation för fyra olika ingångar. Logikoperatorer av detta slag kan tillåta parallell bearbetning av insignaler över olika riktningar för att erhålla två oberoende utgångar.
Tillämpningar i amplitudmodulering av lågfrekventa vibrationer. (A) Konceptuell illustration av den modulära designen av amplitudmodulatorn. Här, amplitudmodulatorn arbetar längs x- och y-axlarna, och tecknet på ingångs-/utgångsförskjutningar överensstämmer med tecknet för koordinataxlarna. Modulen 1 tjänar till att försvaga kraftöverföringen, och modulen 2 kombinerar den överförda kraften med de tristabila enheterna för att uppnå en reglerad förskjutningseffekt. (B) Ingångs- och utgångsförskjutningar längs x-riktningen mot tiden för en låg amplitudnivå, visar funktionen att filtrera den triangulära vågen som den trunkerade triangulära vågen. De optiska bilderna på den nedre panelen motsvarar de två tillstånden markerade i kurvorna. (C) Liknande resultat i fallet med en mellanliggande amplitudnivå, visar funktionen att filtrera den triangulära vågen som stegvågen. (D) Liknande resultat i fallet med en hög amplitudnivå, som visar funktionen att filtrera den triangulära vågen som fyrkantvågen. Skala staplar, 15 mm. Fotokrediter:Hang Zhang, Tsinghua-universitetet. Vetenskapens framsteg, doi:10.1126/sciadv.abf1966 
Forskarna presenterade designen av en dubbelriktad amplitudmodulator utvecklad med multistabila mekaniska metamaterial. De filtrerade lågfrekventa vibrationer från experimentuppställningen, där den negativa ingångsförskjutningen var enormt undertryckt, medan den positiva ingångsförskjutningen överfördes med en relativt hög trohet. Sådana mekaniska anordningar kommer att vara effektiva för integration i robotar som arbetar i tuffa miljöer som hög strålning och starka magnetfält, där elektroniska enheter inte skulle fungera lika effektivt. Förmågan att modulera vibrationer kan också användas för brusdämpning och icke-linjär kommunikation.
Experimentell demonstration av de komplexa logikoperatorerna. Vetenskapens framsteg, doi:10.1126/sciadv.abf1966
Syn
På det här sättet, Hang Zhang och kollegor detaljerade designen, tillverkning och karakterisering av en klass av hierarkiska mekaniska metamaterial med ett exponentiellt ökat antal stabila tillstånd. Teamet började med den programmerbara X-formade tristabila byggstensstrukturen och fortsatte med att designa hierarkiska mekaniska metamaterial inklusive 1-D cylindriska geometrier, 2D kvadratiska gitter och 3D kubiska eller oktaedriska gitter. Dessa konstruktioner visade kapacitet för vridningsmultistabilitet eller oberoende styrd multiriktad multistabilitet. Resultaten belyser det underliggande förhållandet mellan de mikrostrukturella geometrierna och det resulterande energilandskapet. Teamet visade applikationer i mekaniska ternära logiska grindar, inklusive de tre grundläggande grindarna (OCH, INTE, och ELLER-grindar) och deras kombinerade logiska operationer. De mekaniska enheterna är lovande för tillämpningar inom mjuk robotik och ställdon. De mekaniska enheterna kommer att vara mer fördelaktiga än traditionella elektriska enheter för att spara energi och för korrosionsbeständighet i tuffa miljöer.
© 2021 Science X Network
