Multistabiele mechanische metamaterialen zijn kunstmatige materialen waarvan de microarchitectuur meer dan twee verschillende stabiele configuraties biedt. Bestaande mechanische metamaterialen zijn gebaseerd op origami- of kirigami-gebaseerde ontwerpen met doorklikbare instabiliteit en microgestructureerde zachte mechanismen. Schaalbare structuren die kunnen worden opgebouwd uit mechanische metamaterialen met een extreem groot aantal programmeerbare stabiele configuraties blijven ongrijpbaar. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Hang Zhang en een onderzoeksteam in engineering, elektronica, en geavanceerde structuurtechnologie in Peking China, gebruikte de elastische trek-/drukasymmetrie van kirigami-microstructuren om een ​​klasse van X-vormige tristabiele structuren te ontwerpen. Het team gebruikte deze constructies als bouwsteenelementen om hiërarchische mechanische metamaterialen te bouwen met eendimensionale cilindrische geometrieën, 2D vierkante roosters en 3D kubische of octaëdrische roosters met multidirectionele multistabiliteit. Het aantal stabiele toestanden nam toe met het aantal cellen van mechanische metamaterialen dat in het werk was verwerkt, en de veelzijdige multistabiliteit en structurele diversiteit demonstreerde toepassingen binnen mechanische ternaire logica-operators met ongebruikelijke functionaliteiten.

Mechanische metamaterialen

Mechanische metamaterialen zijn een soort kunstmatige materialen die bestaan ​​uit periodieke microstructuren met architecturen die zijn ontworpen om mechanische eigenschappen te bieden die conventionele materialen overtreffen. Ondanks de vooruitgang in het veld, het blijft een uitdaging om hiërarchische metamaterialen te ontwerpen met diverse stabiele toestanden en nauwkeurig op maat gemaakte stabiele eigenschappen. In dit werk, Zhang et al. introduceerde een klasse van X-vormige kirigami-microstructuren als driestabiele bouwsteenelementen, beginnend met een bottom-up schema om hiërarchische mechanische metamaterialen te bereiken, met een groter aantal stabiele staten. De elastische trek-compressie asymmetrie van kirigami-microstructuren en de onafhankelijk gecontroleerde tristabiliteit van de hiërarchische metamaterialen stelden hen in staat om gecontroleerde laagfrequente trillingen te realiseren langs verschillende in-plan richtingen voor gewenste functies, inclusief ruisonderdrukking en niet-lineaire communicatie.

Multistabiele mechanische metamaterialen met hiërarchische constructies

Het team voerde kwantitatieve mechanische modellering uit van de X-vormige kirigami-microstructuren op basis van eindige-elementenanalyses. De resultaten wezen op een door buiging gedomineerd vervormingsmechanisme onder uniaxiaal rekken met een veel lagere trekmodulus en compressiemodulus. De berekende rekenergie gaf drie minimumpunten aan om de instabiliteit van de X-vormige bouwsteenstructuur te bevestigen. De wetenschappers presenteerden ook multistabiele mechanische metamaterialen met 1-D cilindrische geometrieën en 3D kubische of octaëdrische roosters. Het ontwerp maakte twee extra stabiele configuraties mogelijk op basis van rotaties met de klok mee of tegen de klok in, zoals blijkt uit het energieprofiel. De achthoekige cel bood tot 3 ²⁰ stabiele configuraties in theorie, die tot dan toe onbereikbaar was. Het extreme aantal stabiele toestanden bood een veelbelovend concept voor informatieverwerking, zoals getoond met mechanische ternaire logische poorten en gecombineerde logische operatoren.

Relatie tussen mechanische eigenschappen en geometrische ontwerpen van kirigami-microstructuren en X-vormige bouwsteenstructuren

De wetenschappers probeerden vervolgens de relatie tussen microstructuur en eigenschappen te begrijpen om het hiërarchische ontwerp van de voorgestelde multistabiele mechanische metamaterialen te beoordelen. Om dit te bereiken, ze concentreerden zich op de X-vormige bouwsteenstructuur en legden de verbinding van de belangrijkste geometrische parameters met het resulterende energielandschap. Het team verdeelde de geometrische parameters in twee categorieën, één gerelateerd aan de kirigami-microstructuur en de andere aan de X-vormige composiet. Vervolgens ontwikkelden ze een theoretisch model voor eindige vervorming om de spanning-rekcurve van de kirigami-microstructuur te voorspellen, waarbij de theoretische uitkomsten goed overeenkwamen met de experimenten. Het team verhoogde de compressiemodulus van de kirigami-microstructuren verder door het verbindingsgebied te vervangen door harde polymeren. De gesimuleerde microstructuren die onder spanning en compressie vervormden, kwamen ook goed overeen met de optische afbeeldingen.

Mechanische ternaire poorten

De flexibiliteit van de X-vormige tristabiele bouwsteenstructuur maakte toepassingen van mechanische ternaire logische functie mogelijk, die niet kon worden bereikt met behulp van bistabiele bouwstenen. Bijvoorbeeld, met mechanische systemen gepresenteerd in eerder werk, het was een hele uitdaging om veel basispoorten te combineren voor complexe logische bewerkingen. Ter vergelijking, ternaire logische operatie kon een grotere hoeveelheid informatie verzenden terwijl een verminderd aantal basispoorten werd gebruikt om dezelfde operatie te voltooien en toonde voordelen in fuzzy logic en signaalverwerking. Het team presenteerde verder een mechanische ternaire NOT-poort bestaande uit twee modules, waaronder een analoog-naar-digitaal-omzetter en een digitale verplaatsingsprocessor. Ze realiseerden de analoog-naar-digitaal omzetter met behulp van de X-vormige tristabiele bouwsteenstructuur en ontwikkelden de digitale verplaatsingsprocessor om de richting van invoerverplaatsing om te keren en voerden experimentele demonstraties uit van de functionaliteit van de gefabriceerde NIET-poort.

De ternaire logische werking van EN- en OF-poorten was ingewikkelder in vergelijking met binaire operatoren. De flexibiliteit van het modulaire ontwerp vergemakkelijkte complexe logische bewerkingen op basis van de basispoorten. Het grote aantal stabiele toestanden gefaciliteerd met multistabiele mechanische metamaterialen maakte complexe ternaire bewerkingen van meerdere ingangen mogelijk. Bijvoorbeeld, een logische operator gebaseerd op een mechanisch metamateriaal diende als een analoog-naar-digitaal omzetter geïntegreerd met een speciaal ontworpen digitale verplaatsingsprocessor om een ​​complexe doelbewerking voor vier verschillende ingangen te realiseren. Logische operatoren van deze aard kunnen parallelle verwerking van inputs in verschillende richtingen mogelijk maken om twee onafhankelijke outputs te verkrijgen.

De wetenschappers presenteerden de ontwerpen van een bidirectionele amplitudemodulator ontwikkeld met multistabiele mechanische metamaterialen. Ze filterden laagfrequente trillingen uit de experimentele opstelling, waar de negatieve ingangsverplaatsing enorm werd onderdrukt, terwijl de positieve ingangsverplaatsing met een relatief hoge betrouwbaarheid wordt verzonden. Dergelijke mechanische apparaten zullen effectief zijn voor integratie in robots die werken in ruwe omgevingen zoals hoge straling en sterke magnetische velden, waar elektronische apparaten niet zo effectief zouden werken. Het vermogen om trillingen te moduleren kan ook worden gebruikt voor ruisonderdrukking en niet-lineaire communicatie.

Outlook

Op deze manier, Hang Zhang en collega's hebben het ontwerp gedetailleerd, fabricage en karakterisering van een klasse van hiërarchische mechanische metamaterialen met een exponentieel toegenomen aantal stabiele toestanden. Het team begon met de programmeerbare X-vormige tristabiele bouwsteenstructuur en ging door met het ontwerpen van hiërarchische mechanische metamaterialen, waaronder 1-D cilindrische geometrieën, 2D vierkante roosters en 3D kubische of octaëdrische roosters. Deze constructies toonden capaciteit voor torsie-multistabiliteit of onafhankelijk gecontroleerde multidirectionele multistabiliteit. De uitkomsten werpen licht op de onderliggende relatie tussen de microstructurele geometrieën en het resulterende energielandschap. Het team toonde toepassingen in mechanische ternaire logische poorten, inclusief de drie basispoorten (AND, NIET, en OF-poorten) en hun gecombineerde logische bewerkingen. De mechanische apparaten zijn veelbelovend voor toepassingen in zachte robotica en actuatoren. De mechanische apparaten zullen voordeliger zijn dan traditionele elektrische apparaten om energie te besparen en voor corrosieweerstand in ruwe omgevingen.

© 2021 Science X Network