Physics-aware differentiable design of magnetically actuated kirigami for shape morphing

要約

刺激に応じて形態を変化させる形状モーフィングは、将来の多機能システムにとって重要です。
切り紙は形状モーフィングの向上に大きな期待を持っていますが、既存のデザインは主に運動学に焦点を当てており、基礎となる物理学が無視されています。
この研究では、磁性粒子を埋め込んだ軟質材料で作られたアクティブな切り紙の形状、材料、刺激の間の物理的相互作用を考慮した微分可能な逆設計フレームワークを導入し、磁気励起によるターゲットの形状モーフィングを実現します。
これは、微分可能な運動学とエネルギー モデルを組み合わせて制約付きの最適化を行い、同時にカットと磁化の方向を設計して運動学的および物理的な実現可能性を確保することでこれを実現します。
複雑な切り紙デザインが比類のない効率で自動的に取得され、リモート制御して複雑なターゲット形状や複数の状態に変形させることができます。
提案されたフレームワークは、さまざまなアクティブ システムに対応するように拡張でき、形状や物理学を橋渡しして、フレキシブル エレクトロニクスや低侵襲手術などの形状モーフィング アプリケーションの最前線を押し広げることができます。

要約(オリジナル)

Shape morphing that transforms morphologies in response to stimuli is crucial for future multifunctional systems. While kirigami holds great promise in enhancing shape-morphing, existing designs primarily focus on kinematics and overlook the underlying physics. This study introduces a differentiable inverse design framework that considers the physical interplay between geometry, materials, and stimuli of active kirigami, made by soft material embedded with magnetic particles, to realize target shape-morphing upon magnetic excitation. We achieve this by combining differentiable kinematics and energy models into a constrained optimization, simultaneously designing the cuts and magnetization orientations to ensure kinematic and physical feasibility. Complex kirigami designs are obtained automatically with unparallel efficiency, which can be remotely controlled to morph into intricate target shapes and even multiple states. The proposed framework can be extended to accommodate various active systems, bridging geometry and physics to push the frontiers in shape-morphing applications, like flexible electronics and minimally invasive surgery.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google