Hierarkiske mekaniske metamaterialer tilbyder flere stabile konfigurationer

Multistabile mekaniske metamaterialer er kunstige materialer, hvis mikroarkitektur tilbyder mere end to forskellige stabile konfigurationer. Eksisterende mekaniske metamaterialer er afhængige af origami- eller kirigami-baserede designs med snap-through-ustabilitet og mikrostrukturerede bløde mekanismer. Skalerbare strukturer, der kan bygges af mekaniske metamaterialer med et ekstremt stort antal programmerbare stabile konfigurationer, forbliver uhåndgribelige. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Hang Zhang og et forskerhold i teknik, elektronik, og avanceret strukturteknologi i Beijing Kina, brugte den elastiske træk-/kompressionsasymmetri af kirigami-mikrostrukturer til at designe en klasse af X-formede tristabile strukturer. Holdet brugte disse konstruktioner som byggeklodselementer til at bygge hierarkiske mekaniske metamaterialer med endimensionelle cylindriske geometrier, 2D firkantede gitter og 3D kubiske eller oktaedriske gitter med multidirektional multistabilitet. Antallet af stabile tilstande steg med celleantallet af mekaniske metamaterialer inkorporeret i arbejdet, og den alsidige multistabilitet og strukturelle mangfoldighed demonstrerede anvendelser inden for mekaniske ternære logiske operatører med usædvanlige funktionaliteter.

Mekaniske metamaterialer

Mekaniske metamaterialer er en type kunstige materialer, der består af periodiske mikrostrukturer med arkitekturer designet til at tilbyde mekaniske egenskaber, der overgår konventionelle materialer. På trods af fremskridt på området, det er fortsat udfordrende at designe hierarkiske metamaterialer med forskellige stabile tilstande og præcist skræddersyede steady-state egenskaber. I dette arbejde, Zhang et al. introducerede en klasse af X-formede kirigami-mikrostrukturer som tristabile byggeklodselementer startende fra et bottom-up-skema for at opnå hierarkiske mekaniske metamaterialer, med et øget antal stabile stater. Den elastiske træk-kompressionsasymmetri af kirigami-mikrostrukturer og den uafhængigt kontrollerede tristabilitet af de hierarkiske metamaterialer tillod dem at realisere kontrollerede lavfrekvente vibrationer langs forskellige retninger i planet for ønskede funktioner, herunder støjdæmpning og ikke-lineær kommunikation.

Multistabile mekaniske metamaterialer med hierarkiske konstruktioner

Holdet udførte kvantitativ mekanisk modellering af de X-formede kirigami-mikrostrukturer baseret på finite element-analyser. Resultaterne indikerede en bøjningsdomineret deformationsmekanisme under enakset strækning med et meget lavere trækmodul og kompressionsmodul. Den beregnede belastningsenergi indikerede tre minimumspunkter for at bekræfte ustabiliteten af ​​den X-formede byggeklodsstruktur. Forskerne præsenterede også multistabile mekaniske metamaterialer med 1-D cylindriske geometrier og 3D kubiske eller oktaedriske gitter. Designet tillod yderligere to stabile konfigurationer baseret på rotationer med uret eller mod uret, som det fremgår af energiprofilen. Den ottekantede celle tilbød op til 3 ²⁰ stabile konfigurationer i teorien, som hidtil var utilgængeligt. Det ekstreme antal stabile tilstande gav et lovende koncept for informationsbehandling som vist med mekaniske ternære logiske porte og kombinerede logiske operatorer.

Forholdet mellem mekaniske egenskaber og geometriske design af kirigami-mikrostrukturer og X-formede byggeklodsstrukturer

Forskerne søgte derefter at forstå mikrostruktur-egenskabsforholdet for at vurdere det hierarkiske design af de foreslåede multistabile mekaniske metamaterialer. For at opnå dette, de fokuserede på den X-formede byggeklodsstruktur og etablerede forbindelsen mellem dens centrale geometriske parametre til det resulterende energilandskab. Holdet opdelte de geometriske parametre i to kategorier, den ene relateret til kirigami-mikrostrukturen og den anden til den X-formede komposit. De udviklede derefter en teoretisk model med endelig deformation til at forudsige spændings-belastningskurven for kirigami-mikrostrukturen, hvor de teoretiske resultater stemte godt overens med eksperimenterne. Holdet øgede yderligere kompressionsmodulet af kirigami-mikrostrukturerne ved at erstatte forbindelsesområdet med hårde polymerer. De simulerede mikrostrukturer, der deformerede under spænding og kompression, var også i god overensstemmelse med de optiske billeder.

Mekaniske ternære porte

Fleksibiliteten af ​​den X-formede tristabile byggeklodsstruktur tillod anvendelser af mekanisk ternær logikfunktion, hvilket ikke kunne opnås ved hjælp af bistabile byggeklodser. For eksempel, med mekaniske systemer præsenteret i tidligere arbejde, det var meget udfordrende at kombinere mange grundlæggende porte til komplekse logiske operationer. Forholdsvis, ternær logisk operation kunne transmittere en større mængde information, mens der blev brugt et reduceret antal grundlæggende porte for at fuldføre den samme operation og viste fordele i fuzzy logik og signalbehandling. Holdet præsenterede yderligere en mekanisk ternær NOT-gate bestående af to moduler inklusive en analog-til-digital-konverter og en digital forskydningsprocessor. De realiserede analog-til-digital-konverteren ved hjælp af den X-formede tristabile byggeklodsstruktur og udviklede den digitale forskydningsprocessor til at vende retningen af ​​inputforskydning og udførte eksperimentelle demonstrationer af funktionaliteten af ​​den fremstillede NOT-port.

Den ternære logiske operation af AND- og OR-porte var mere kompliceret sammenlignet med binære operatorer. Fleksibiliteten i det modulære design lettede komplekse logiske operationer baseret på de grundlæggende porte. Det store antal stabile tilstande lettet med multistabile mekaniske metamaterialer muliggjorde komplekse ternære operationer af flere input. For eksempel, en logisk operatør baseret på et mekanisk metamateriale fungerede som en analog-til-digital konverter integreret med en specialdesignet digital forskydningsprocessor til at realisere en kompleks måloperation for fire forskellige input. Logiske operatører af denne art kan tillade parallel behandling af input på tværs af forskellige retninger for at opnå to uafhængige output.

Forskerne præsenterede design af en tovejs amplitudemodulator udviklet med multistabile mekaniske metamaterialer. De filtrerede lavfrekvent vibration fra den eksperimentelle opsætning, hvor den negative indgangsforskydning blev enormt undertrykt, mens den positive input-forskydning transmitteredes med en relativt høj kvalitet. Sådanne mekaniske enheder vil være effektive til integration i robotter, der arbejder i barske miljøer såsom høj stråling og stærke magnetfelter, hvor elektroniske enheder ikke ville fungere så effektivt. Evnen til at modulere vibrationer kan også bruges til støjdæmpning og ikke-lineær kommunikation.

Outlook

På denne måde Hang Zhang og kolleger detaljerede designet, fremstilling og karakterisering af en klasse af hierarkiske mekaniske metamaterialer med et eksponentielt øget antal stabile tilstande. Holdet startede med den programmerbare X-formede tristabile byggeklodsstruktur og udviklede sig med at designe hierarkiske mekaniske metamaterialer, herunder 1-D cylindriske geometrier, 2D firkantede gitter og 3D kubiske eller oktaedriske gitter. Disse konstruktioner viste kapacitet til vridningsmultistabilitet eller uafhængigt styret multidirektionel multistabilitet. Resultaterne kaster lys over det underliggende forhold mellem de mikrostrukturelle geometrier og det resulterende energilandskab. Holdet viste applikationer i mekaniske ternære logiske porte, inklusive de tre grundlæggende porte (OG, IKKE, og OR-porte) og deres kombinerede logiske operationer. De mekaniske enheder er lovende til applikationer på tværs af blød robotteknologi og aktuatorer. De mekaniske enheder vil være mere fordelagtige end traditionelle elektriske enheder for at spare energi og for korrosionsbestandighed i barske miljøer.

© 2021 Science X Network