Design of Bistable Soft Deployable Structures via a Kirigami-inspired Planar Fabrication Approach

要約

完全にソフトな双安定メカニズムは、ソフト ロボティクス、ウェアラブル デバイス、医療ツールからエネルギー ハーベスティングまで、広範なアプリケーションを示しています。
ただし、簡単で潜在的にスケーラブルな設計および製造方法がないため、主流のアプリケーションへのさらなる採用が制限されています。
ここでは、切り紙にインスパイアされたエンジニアリングを事前ストレッチ プロセスと組み合わせて導入することにより、トップダウンの平面アプローチが提示されます。
この方法を使用すると、切り紙で事前に延伸された基板と切り紙の三層前駆体が平面的に作成されます。
リリース時に、基板のプレストレッチによる歪みの不一致により、層間の面外座屈が引き起こされ、目的の 3 次元 (3D) 双安定構造が実現されます。
実験的特性評価、解析モデリング、および有限要素シミュレーションを組み合わせることにより、切り紙レイヤーのパターン サイズとプレストレッチングが、結果として得られる 3D コンポジットのジオメトリと安定性に及ぼす影響が調査されます。
さらに、任意の形状のソフト双安定構造と多安定構成のソフト複合材料を実現する方法が調査され、さらなる応用が促進される可能性があります。
私たちの方法は、双安定ソフト切り紙複合材料を使用して 2 つのソフト マシンを構築することによって実証されています: (i) さまざまな形状とサイズの繊細なオブジェクトを優しくつかむことができる双安定ソフト グリッパーと (ii) オブジェクトを自律的に検出してキャプチャできるハエトリグサにヒントを得たロボット
.

要約(オリジナル)

Fully soft bistable mechanisms have shown extensive applications ranging from soft robotics, wearable devices, and medical tools, to energy harvesting. However, the lack of design and fabrication methods that are easy and potentially scalable limits their further adoption into mainstream applications. Here a top-down planar approach is presented by introducing Kirigami-inspired engineering combined with a pre-stretching process. Using this method, Kirigami-Pre-stretched Substrate-Kirigami trilayered precursors are created in a planar manner; upon release, the strain mismatch — due to the pre-stretching of substrate — between layers would induce an out-of-plane buckling to achieve targeted three dimensional (3D) bistable structures. By combining experimental characterization, analytical modeling, and finite element simulation, the effect of the pattern size of Kirigami layers and pre-stretching on the geometry and stability of resulting 3D composites is explored. In addition, methods to realize soft bistable structures with arbitrary shapes and soft composites with multistable configurations are investigated, which could encourage further applications. Our method is demonstrated by using bistable soft Kirigami composites to construct two soft machines: (i) a bistable soft gripper that can gently grasp delicate objects with different shapes and sizes and (ii) a flytrap-inspired robot that can autonomously detect and capture objects.

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