Concetti progettuali e dimostrazione di metamateriali meccanici multistabili 2D con microstrutture kirigami a forma di X. (A) Illustrazione schematica della costruzione gerarchica di un metamateriale meccanico multistabile 2D, comprese le celle ottagonali, Struttura a blocchi a forma di X, e microstrutture kirigami. (B) Immagini ottiche e risultati FEA delle microstrutture kirigami a indeformate, allungato, e stati compressi. (C) Curva di sollecitazione-deformazione nominale della microstruttura del kirigami in (B), sotto sia la tensione uniassiale che la compressione. (D) Immagini ottiche e risultati FEA delle tre diverse configurazioni stabili della struttura a blocchi a forma di X stampata in 3D. (E) Dipendenze della forza normalizzata e dell'energia di deformazione normalizzata sullo spostamento orizzontale applicato alla struttura a blocchi tristabili a forma di X in (D). A indica l'area della sezione trasversale della microstruttura; Ec ed Et indicano i moduli di compressione e trazione, rispettivamente; d indica la distanza segnata in (D). (F) Dimostrazione sperimentale delle configurazioni stabili di una cella ottagonale nel metamateriale meccanico. Le frecce rosse indicano le direzioni in cui si muovono le barre di collegamento orizzontale e verticale. Lo stato intermedio in cui nessuna barra di collegamento si muove è contrassegnato da una cornice tratteggiata rossa. (G) Dimostrazione sperimentale di cinque configurazioni stabili rappresentative di un metamateriale meccanico stampato in 3D con gli stessi parametri geometrici di quello in (A). Barre della scala, 1 mm (B), 5 mm (D e F), e 25mm (G). Crediti fotografici:Hang Zhang, Università di Tsinghua. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abf1966
I metamateriali meccanici multistabili sono materiali artificiali la cui microarchitettura offre più di due diverse configurazioni stabili. I metamateriali meccanici esistenti si basano su progetti basati su origami o kirigami con instabilità a scatto e meccanismi morbidi microstrutturati. Strutture scalabili che possono essere costruite da metamateriali meccanici con un numero estremamente elevato di configurazioni stabili programmabili rimangono sfuggenti. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Hang Zhang e un team di ricerca in ingegneria, elettronica, e tecnologia avanzata della struttura a Pechino in Cina, utilizzato l'asimmetria elastica trazione/compressione delle microstrutture kirigami per progettare una classe di strutture tristabili a forma di X. Il team ha utilizzato questi costrutti come elementi costitutivi per costruire metamateriali meccanici gerarchici con geometrie cilindriche unidimensionali, Reticoli quadrati 2D e reticoli cubici o ottaedrici 3D con multistabilità multidirezionale. Il numero di stati stabili è aumentato con il numero di cellule di metamateriali meccanici incorporati nel lavoro, e la versatile multistabilità e la diversità strutturale hanno dimostrato applicazioni all'interno di operatori logici ternari meccanici con funzionalità insolite.
Metamateriali meccanici
I metamateriali meccanici sono un tipo di materiali artificiali costituiti da microstrutture periodiche con architetture progettate per offrire proprietà meccaniche che superano i materiali convenzionali. Nonostante i progressi nel campo, rimane difficile progettare metamateriali gerarchici con diversi stati stabili e proprietà di stato stazionario su misura. In questo lavoro, Zhang et al. ha introdotto una classe di microstrutture kirigami a forma di X come elementi costitutivi tristabili a partire da uno schema dal basso verso l'alto per ottenere metamateriali meccanici gerarchici, con un aumento del numero di stati stabili. L'asimmetria elastica trazione-compressione delle microstrutture kirigami e la tristabilità controllata in modo indipendente dei metamateriali gerarchici ha permesso loro di realizzare vibrazioni controllate a bassa frequenza lungo diverse direzioni nel piano per le funzioni desiderate, compresa la soppressione del rumore e la comunicazione non lineare.
Metamateriali meccanici multistabili con costruzioni gerarchiche
Strategia di progettazione bottom-up e dimostrazione di metamateriali meccanici multistabili 3D. (A) Illustrazione schematica di un metamateriale meccanico multistabile torsionale costituito da quattro strati indirizzabili individualmente. Ogni strato è composto da un anello di guida, un anello vincolante, cerniere, un cuscinetto, e una struttura a blocchi a forma di X. (B) Immagini ottiche e risultati FEA di cinque configurazioni stabili rappresentative di un metamateriale meccanico torsionale stampato in 3D con gli stessi parametri geometrici di quello in (A). (C) Illustrazione schematica dei metamateriali meccanici multistabili cubici e ottaedrici. Le linee tratteggiate arancioni e rosse indicano gli assi di rotazione della cella ottagonale per formare metamateriali meccanici 3D. (D) Dimostrazione sperimentale di tre configurazioni stabili rappresentative dei metamateriali meccanici multistabili cubici e ottaedrici stampati in 3D. Barre della scala, 15mm. Crediti fotografici:Hang Zhang, Università di Tsinghua. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abf1966
Il team ha condotto la modellazione meccanica quantitativa delle microstrutture kirigami a forma di X sulla base di analisi degli elementi finiti. I risultati hanno indicato un meccanismo di deformazione dominato dalla flessione sotto allungamento uniassiale con un modulo di trazione e un modulo di compressione molto più bassi. L'energia di deformazione calcolata ha indicato tre punti minimi per confermare l'instabilità della struttura a blocchi a forma di X. Gli scienziati hanno anche presentato metamateriali meccanici multistabili con geometrie cilindriche 1D e reticoli cubici o ottaedrici 3D. Il progetto ha consentito due ulteriori configurazioni stabili basate su rotazioni in senso orario o antiorario, come evidenziato dal profilo energetico. La cella ottagonale offriva fino a 3 20 configurazioni stabili in teoria, che fino a quel momento era inaccessibile. Il numero estremo di stati stabili ha fornito un concetto promettente per l'elaborazione delle informazioni, come mostrato con porte logiche ternarie meccaniche e operatori logici combinati.
Progettazione e dimostrazione sperimentale della cella ottagonale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abf1966
Relazione tra proprietà meccaniche e disegni geometrici di microstrutture kirigami e strutture a blocchi a forma di X
Gli scienziati hanno quindi cercato di comprendere la relazione microstruttura-proprietà per valutare la progettazione gerarchica dei metamateriali meccanici multistabili proposti. Per realizzare questo, si sono concentrati sulla struttura a blocchi a forma di X e hanno stabilito la connessione dei suoi parametri geometrici chiave al panorama energetico risultante. Il team ha diviso i parametri geometrici in due categorie, una relativa alla microstruttura del kirigami e l'altra al composito a forma di X. Hanno quindi sviluppato un modello teorico a deformazione finita per prevedere la curva sforzo-deformazione della microstruttura del kirigami, dove i risultati teorici erano in buon accordo con gli esperimenti. Il team ha ulteriormente aumentato il modulo di compressione delle microstrutture kirigami sostituendo la regione di connessione con polimeri duri. Anche le microstrutture simulate che si deformavano sotto tensione e compressione erano in buon accordo con le immagini ottiche.
Relazione microstruttura-proprietà della struttura a blocchi a forma di X. (A) Illustrazione schematica della microstruttura del kirigami e dei parametri chiave di progettazione. (B) Risultati sperimentali e FEA delle curve sforzo-deformazione della microstruttura del kirigami con una gamma di diverse lunghezze di taglio normalizzate (l¯1=l1/a e l¯2=l2/a). (C) Grafico di contorno del modulo elastico effettivo della microstruttura del kirigami rispetto alle lunghezze di taglio normalizzate (l¯1 e l¯2). (D) Risultati sperimentali e FEA delle curve sforzo-deformazione di trazione e compressione della microstruttura del kirigami con disegni omogenei e compositi. (E) Immagini ottiche e risultati FEA della microstruttura del kirigami composito a diversi stati di carico [contrassegnati in (D)]. (F) Illustrazione schematica della struttura a blocchi a forma di X. I parametri chiave di progettazione includono il rapporto del modulo (η =Ec/Et) della microstruttura del kirigami sotto compressione a quella sotto tensione, l'angolo della struttura a forma di X, e il rapporto di lunghezza (L/L0). (G) Immagini ottiche e risultati FEA delle due configurazioni stabili di strutture a blocchi a forma di X con =25° e 40° (sinistra e destra) per un rapporto di lunghezza fisso (L/L0 =0,64). (H) Curve carico-spostamento della struttura a blocchi a forma di X omogenea con angoli diversi (θ), per rapporto modulo fisso (η =101) e rapporto lunghezza (L/L0 =0,64). (I) Risultati simili nel caso di diversi rapporti di lunghezza (L/L0) per rapporto modulo fisso (η =101) e angolo (θ =30°). (J) Curve carico-spostamento della struttura composita a forma di X con angoli diversi (θ) per rapporto modulo fisso (η =240) e rapporto lunghezza (L/L0 =0,64). Barre della scala, 1 mm (E) e 5 mm (G). Crediti fotografici:Hang Zhang, Tsinghua University.Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abf1966
Cancelli ternari meccanici
La flessibilità della struttura a blocchi tristabili a forma di X ha permesso le applicazioni della funzione logica ternaria meccanica, che non potrebbe essere ottenuto utilizzando blocchi di costruzione bistabili. Ad esempio, con i sistemi meccanici presentati in lavori precedenti, è stato molto difficile combinare molte porte di base per operazioni logiche complesse. Comparativamente, l'operazione logica ternaria potrebbe trasmettere una maggiore quantità di informazioni utilizzando un numero ridotto di porte di base per completare la stessa operazione e ha mostrato vantaggi nella logica fuzzy e nell'elaborazione del segnale. Il team ha inoltre presentato una porta NOT ternaria meccanica composta da due moduli, tra cui un convertitore analogico-digitale e un processore di spostamento digitale. Hanno realizzato il convertitore analogico-digitale utilizzando la struttura a blocchi tristabili a forma di X e hanno sviluppato il processore di spostamento digitale per invertire la direzione dello spostamento in ingresso e hanno condotto dimostrazioni sperimentali della funzionalità della porta NOT fabbricata.
L'operazione logica ternaria delle porte AND e OR era più complicata rispetto agli operatori binari. La flessibilità del design modulare ha facilitato operazioni logiche complesse basate sulle porte di base. Il gran numero di stati stabili facilitati con metamateriali meccanici multistabili consentiva operazioni ternarie complesse di input multipli. Ad esempio, un operatore logico basato su un metamateriale meccanico fungeva da convertitore analogico-digitale integrato con un processore di spostamento digitale appositamente progettato per realizzare un'operazione target complessa per quattro diversi ingressi. Operatori logici di questa natura possono consentire l'elaborazione parallela di input in direzioni diverse per ottenere due output indipendenti.
Applicazioni nella modulazione di ampiezza della vibrazione a bassa frequenza. (A) Illustrazione concettuale del design modulare del modulatore di ampiezza. Qui, il modulatore di ampiezza lavora lungo gli assi x e y, e il segno degli spostamenti ingresso/uscita è coerente con il segno degli assi coordinati. Il modulo 1 serve per indebolire la trasmissione della forza, e il modulo 2 combina la forza trasmessa con le unità tristabili per ottenere un'uscita di spostamento regolata. (B) Spostamenti in ingresso e in uscita lungo la direzione x rispetto al tempo per un basso livello di ampiezza, che mostra la funzione di filtrare l'onda triangolare come onda triangolare troncata. Le immagini ottiche sul pannello inferiore corrispondono ai due stati contrassegnati nelle curve. (C) Risultati simili nel caso di un livello di ampiezza intermedio, che mostra la funzione di filtrare l'onda triangolare come onda a gradino. (D) Risultati simili nel caso di un alto livello di ampiezza, che mostra la funzione di filtrare l'onda triangolare come onda quadra. Barre della scala, 15mm. Crediti fotografici:Hang Zhang, Università di Tsinghua. Progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abf1966 
Gli scienziati hanno presentato i progetti di un modulatore di ampiezza bidirezionale sviluppato con metamateriali meccanici multistabili. Hanno filtrato le vibrazioni a bassa frequenza dal setup sperimentale, dove lo spostamento di input negativo è stato tremendamente soppresso, mentre lo spostamento di ingresso positivo trasmesso con una fedeltà relativamente alta. Tali dispositivi meccanici saranno efficaci per l'integrazione in robot che lavorano in ambienti difficili come radiazioni elevate e forti campi magnetici, dove i dispositivi elettronici non funzionerebbero in modo altrettanto efficace. La capacità di modulare le vibrazioni può essere utilizzata anche per la soppressione del rumore e la comunicazione non lineare.
Dimostrazione sperimentale degli operatori logici complessi. Progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abf1966
Veduta
In questo modo, Hang Zhang e colleghi hanno dettagliato il design, fabbricazione e caratterizzazione di una classe di metamateriali meccanici gerarchici con un numero esponenzialmente aumentato di stati stabili. Il team ha iniziato con la struttura a blocchi di costruzione tristabile a forma di X programmabile e ha proceduto alla progettazione di metamateriali meccanici gerarchici tra cui geometrie cilindriche 1D, Reticoli quadrati 2D e reticoli cubici o ottaedrici 3D. Questi costrutti hanno mostrato capacità di multistabilità torsionale o multistabilità multidirezionale controllata in modo indipendente. I risultati hanno gettato luce sulla relazione sottostante tra le geometrie microstrutturali e il panorama energetico risultante. Il team ha mostrato applicazioni in porte logiche ternarie meccaniche, comprese le tre porte di base (AND, NON, e porte OR) e le loro operazioni logiche combinate. I dispositivi meccanici sono promettenti per applicazioni in robotica morbida e attuatori. I dispositivi meccanici saranno più vantaggiosi rispetto ai dispositivi elettrici tradizionali per risparmiare energia e per resistenza alla corrosione in ambienti difficili.
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