Als je ooit een paraplu hebt geopend of een klapstoel hebt neergezet, je hebt een inzetbare structuur gebruikt - een object dat kan overgaan van een compacte staat naar een uitgebreide. Je hebt waarschijnlijk gemerkt dat dergelijke constructies meestal nogal gecompliceerde vergrendelingsmechanismen vereisen om ze op hun plaats te houden. En, als je ooit hebt geprobeerd een paraplu in de wind te openen of een bijzonder pietluttige klapstoel op te vouwen, u weet dat de huidige inzetbare structuren niet altijd betrouwbaar of autonoom zijn.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) heeft het domino-effect aangewend om inzetbare systemen te ontwerpen die snel uitzetten met een klein duwtje en die stabiel en vergrendeld zijn na implementatie.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Vandaag, multi-stabiele structuren worden gebruikt in een reeks toepassingen, waaronder herconfigureerbare architecturen, medische apparatuur, zachte robots, en inzetbare zonnepanelen voor de ruimtevaart, " zei Ahmad Zareei, een postdoctoraal onderzoeker in Toegepaste Wiskunde bij SEAS en eerste auteur van het artikel. "Gebruikelijk, om deze structuren in te zetten, je hebt een ingewikkeld activeringsproces nodig, maar hier, we gebruiken dit eenvoudige domino-effect om een ​​betrouwbaar implementatieproces te creëren."

Mechanisch gesproken, een domino-effect treedt op wanneer een multi-stabiele bouwsteen (de domino) overschakelt van zijn hoge energietoestand (staand) naar zijn lage energietoestand (liggend), als reactie op een externe stimulus zoals een druk op een vinger. Als de eerste dominosteen omvalt, het draagt ​​zijn energie over aan zijn buurman, het initiëren van een golf die opeenvolgend alle bouwstenen van hoge naar lage energietoestanden schakelt.

De onderzoekers concentreerden zich op een eenvoudig systeem van bistabiele verbindingen verbonden door stijve staven. Ze lieten eerst zien dat door zorgvuldig de verbindingen tussen de schakels te ontwerpen, overgangsgolven zouden zich door de hele structuur kunnen voortplanten - de aanvankelijke rechte configuratie transformeren in een gebogen. Vervolgens, met behulp van deze bouwstenen, het onderzoeksteam ontwierp een inzetbare koepel die met één kleine duw uit de flat omhoog zou kunnen komen.

"In staat zijn om dit soort zeer niet-lineair gedrag te voorspellen en te programmeren, biedt veel kansen en heeft niet alleen het potentieel voor morphing-oppervlakken en herconfigureerbare apparaten, maar ook voor voortstuwing in zachte robotica, mechanische logica, en gecontroleerde energieabsorptie, " zei Katia Bertoldi, de William en Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics bij SEAS en senior auteur van de studie.

Bertoldi's lab werkt ook aan het begrijpen en beheersen van overgangsgolven in tweedimensionale mechanische metamaterialen. In een recente krant, ook gepubliceerd in PNAS , het team demonstreerde een 2D-systeem waarin ze de richting kunnen bepalen, vorm, en snelheid van overgangsgolven door de vorm of stijfheid van de bouwstenen te veranderen en defecten in de materialen op te nemen.

De onderzoekers ontwierpen materialen waarbij de golven horizontaal bewogen, verticaal, diagonaal, cirkelvormig, en wiebelde zelfs heen en weer als een slang.

"Ons werk vergroot de ontwerpruimte en functionaliteit van metamaterialen aanzienlijk, en opent een nieuw pad om vervormingen in het materiaal op gewenste locaties en snelheid te beheersen, " zei Ahmad Rafsanjani, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel.

"Begeleide overgangsgolven in multistabiele mechanische metamaterialen" is co-auteur van Lishuai Jin, Romik Khajehtourian, Jochen Müller, Vincent Doorn, en Dennis M. Kochmann.