用可擴展的三穩(wěn)態(tài)元件構(gòu)建的分層機械超材料

供稿人：代鑫、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

多穩(wěn)態(tài)機械超材料是人造材料，其微結(jié)構(gòu)提供兩種以上不同的穩(wěn)定配置�，F(xiàn)有的多穩(wěn)態(tài)機械超材料主要依賴于折紙/剪紙啟發(fā)的設(shè)計、快速通過不穩(wěn)定性和微結(jié)構(gòu)軟機制，主要是雙穩(wěn)態(tài)基本單元。可以構(gòu)建以形成具有大量可編程穩(wěn)定配置的機械超材料的可擴展、三穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)元件仍然是虛幻的。在這里，我們利用剪紙微結(jié)構(gòu)的彈性拉伸/壓縮不對稱性來設(shè)計一類可擴展的 X 形三穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。使用這些結(jié)構(gòu)作為積木元素，設(shè)計并展示了具有一維 (1D) 圓柱幾何形狀、2D 方形晶格和 3D 立方/八面體晶格的分層機械超材料，具有扭轉(zhuǎn)多穩(wěn)態(tài)或獨立控制的多向多穩(wěn)態(tài)能力。穩(wěn)定態(tài)的數(shù)量隨著機械超材料的細(xì)胞數(shù)量呈指數(shù)增加。多功能的多穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)多樣性允許在具有不尋常功能的機械三元邏輯算子和幅度調(diào)制器中進行演示應(yīng)用。

(A) 二維多穩(wěn)態(tài)機械超材料的分層結(jié)構(gòu)示意圖，包括八角形單元、X 形積木結(jié)構(gòu)和剪紙微結(jié)構(gòu)。

(B) 剪紙微結(jié)構(gòu)在未變形、拉伸和壓縮狀態(tài)下的光學(xué)圖像和 FEA 結(jié)果。

(D) 3D 打印 X 形積木結(jié)構(gòu)的三種不同穩(wěn)定配置的光學(xué)圖像和 FEA 結(jié)果。

文章報道了一類具有指數(shù)級增加的穩(wěn)定狀態(tài)的分級機械超材料的設(shè)計、制造和表征。從可編程的X形三穩(wěn)態(tài)積木結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計并論證了具有一維圓柱幾何、二維方格和三維立方/八面體晶格的分層機械超材料，具有扭轉(zhuǎn)多穩(wěn)態(tài)或獨立控制多向的能力多重穩(wěn)定性。經(jīng)過驗證的力學(xué)建模作為設(shè)計策略的基礎(chǔ)，揭示了微觀結(jié)構(gòu)幾何與由此產(chǎn)生的能量景觀之間的潛在關(guān)系。設(shè)計靈活性和充足的穩(wěn)定狀態(tài)允許在機械三元邏輯門中進行演示應(yīng)用，包括三個基本門（即非、與和或門）及其組合邏輯運算。此外還利用結(jié)構(gòu)的多樣性和獨立控制的三穩(wěn)態(tài)來實現(xiàn)一種調(diào)幅器，可以將不同幅度的低頻振動過濾成不同的波形（例如截斷三角波、階梯波和方波）。

參考文獻：
Zhang Hang,Wu Jun,Fang Daining,Zhang Yihui. Hierarchical mechanical metamaterials built with scalable tristable elements for ternary logic operation and amplitude modulation.[J]. Science advances,2021,7(9):