Forskere bruger modeller og eksperimenter til at guide og udnytte overgangsbølger i multistabile mekaniske strukturer

Hvis du nogensinde har åbnet en paraply eller sat en klapstol op, du har brugt en implementerbar struktur - et objekt, der kan gå fra en kompakt tilstand til en udvidet. Du har sikkert bemærket, at sådanne strukturer normalt kræver ret komplicerede låsemekanismer for at holde dem på plads. Og, hvis du nogensinde har prøvet at åbne en paraply i vinden eller folde en særlig sart klapstol sammen, du ved, at nutidens deployerbare strukturer ikke altid er pålidelige eller autonome.

Nu, et team af forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udnyttet dominoeffekten til at designe deployerbare systemer, der udvider sig hurtigt med et lille tryk og er stabile og låst på plads efter implementering.

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

"I dag, multi-stabile strukturer bliver brugt i en række applikationer, herunder rekonfigurerbare arkitekturer, hospitalsudstyr, bløde robotter, og deployerbare solpaneler til rumfart, " sagde Ahmad Zareei, en postdoc-stipendiat i anvendt matematik ved SEAS og førsteforfatter til papiret. "Som regel, at implementere disse strukturer, du har brug for en kompliceret aktiveringsproces, men her, vi bruger denne simple dominoeffekt til at skabe en pålidelig implementeringsproces."

Mekanisk set, en dominoeffekt opstår, når en multistabil byggeklods (dominoen) skifter fra sin højenergitilstand (stående) til sin lavenergitilstand (liggende), som reaktion på en ekstern stimulus som et fingerskub. Når den første domino er væltet, den overfører sin energi til sin nabo, initiering af en bølge, der sekventielt skifter alle byggesten fra høj- til lavenergitilstande.

Forskerne fokuserede på et simpelt system af bistabile led forbundet med stive stænger. De viste først, at ved omhyggeligt at designe forbindelserne mellem forbindelserne, overgangsbølger kunne forplante sig gennem hele strukturen - transformere den indledende lige konfiguration til en buet. Derefter, ved at bruge disse byggeklodser, forskerholdet designede en deployerbar kuppel, der kunne poppe op fra fladt med et lille tryk.

"At være i stand til at forudsige og programmere denne form for meget ikke-lineær adfærd åbner op for mange muligheder og har potentialet ikke kun til at forvandle overflader og rekonfigurerbare enheder, men også for fremdrift i blød robotteknologi, mekanisk logik, og kontrolleret energiabsorption, " sagde Katia Bertoldi, William og Ami Kuan Danoff professor i anvendt mekanik ved SEAS og seniorforfatter af undersøgelsen.

Bertoldis laboratorium arbejder også på at forstå og kontrollere overgangsbølger i todimensionelle mekaniske metamaterialer. I en nylig avis, også udgivet i PNAS , holdet demonstrerede et 2-D system, hvor de kan styre retningen, form, og overgangsbølgers hastighed ved at ændre formen eller stivheden af ​​byggestenene og inkorporere defekter i materialerne.

Forskerne designede materialer, hvori bølgerne bevægede sig vandret, lodret, diagonalt, cirkulært, og vrikkede endda frem og tilbage som en slange.

"Vores arbejde øger designrummet og funktionaliteten af ​​metamaterialer markant, og åbner en ny vej til at kontrollere deformationer i materialet på ønskede steder og hastighed, sagde Ahmad Rafsanjani, en postdoc ved SEAS og medførsteforfatter af papiret.

"Guidede overgangsbølger i multistabile mekaniske metamaterialer" var medforfatter af Lishuai Jin, Romik Khajehtourian, Jochen Mueller, Vincent Tournat, og Dennis M. Kochmann.