Self-deployable contracting-cord metamaterials with tunable mechanical properties

要約

活物質と製造技術の最近の進歩により、拡張された機能空間を備えた周期的に自己展開可能なメタマテリアルの製造が可能になりました。
ただし、自己展開後に継続的に調整可能な機械的特性を備えたメタマテリアルを設計することは、その重要性にもかかわらず依然として課題です。
プッシュパペットからインスピレーションを得て、展開後の剛性と減衰を継続的に調整できる、可逆的に自己展開可能なメタマテリアルを作成するための効率的な設計戦略を導入します。
私たちのメタマテリアルは、ネットワーク化されたチェーン内の一致する円錐状の凹凸インターフェイスを備えたビーズに通された収縮するアクチュエーターで構成されています。
スラックネットワークは任意の形状に適合しますが、作動すると、ビーズが集まった事前にプログラムされた構成に自己集合します。
アクチュエータをさらに収縮させると、全体の構造を最小限の変化で維持しながら、ビーズの粒子の妨害を通じてアセンブリの機械的特性を動的に調整できます。
我々は、このようなメタマテリアルが展開後、曲げが支配的な構成において顕著な調整可能性を示すことを示します。つまり、メタマテリアルは 35 倍以上硬くなり、減衰能力が 50% 以上変化する可能性があります。
体系的な分析を通じて、ビーズの円錐角が幾何学的非線形性を導入する可能性があり、それがメタマテリアルの自己展開性と調整性に大きな影響を与えることがわかりました。
私たちの研究は、可逆的に自己展開可能で軽量かつ調整可能なメタマテリアルへの道を提供し、ソフトロボティクス、再構成可能なアーキテクチャ、宇宙工学における潜在的な応用を可能にします。

要約(オリジナル)

Recent advances in active materials and fabrication techniques have enabled the production of cyclically self-deployable metamaterials with an expanded functionality space. However, designing metamaterials that possess continuously tunable mechanical properties after self-deployment remains a challenge, notwithstanding its importance. Inspired by push puppets, we introduce an efficient design strategy to create reversibly self-deployable metamaterials with continuously tunable post-deployment stiffness and damping. Our metamaterial comprises contracting actuators threaded through beads with matching conical concavo-convex interfaces in networked chains. The slack network conforms to arbitrary shapes, but when actuated, it self-assembles into a preprogrammed configuration with beads gathered together. Further contraction of the actuators can dynamically tune the assembly’s mechanical properties through the beads’ particle jamming, while maintaining the overall structure with minimal change. We show that, after deployment, such metamaterials exhibit pronounced tunability in bending-dominated configurations: they can become more than 35 times stiffer and change their damping capability by over 50%. Through systematic analysis, we find that the beads’conical angle can introduce geometric nonlinearity, which has a major effect on the self-deployability and tunability of the metamaterial. Our work provides routes towards reversibly self-deployable, lightweight, and tunable metamaterials, with potential applications in soft robotics, reconfigurable architectures, and space engineering.

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