用可擴展的三穩(wěn)態(tài)元件構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，其微結構提供兩種以上不同的穩(wěn)定配置�，F有的多穩(wěn)態(tài)機械超材料主要依賴于折紙/剪紙啟發(fā)的設計、快速通過不穩(wěn)定性和微結構軟機制，主要是雙穩(wěn)態(tài)基本單元�？梢詷嫿ㄒ孕纬删哂写罅靠删幊谭�(wěn)定配置的機械超材料的可擴展、三穩(wěn)態(tài)結構元件仍然是虛幻的。在這里，我們利用剪紙微結構的彈性拉伸/壓縮不對稱性來設計一類可擴展的 X 形三穩(wěn)態(tài)結構。使用這些結構作為積木元素，設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)的數量隨著機械超材料的細胞數量呈指數增加。多功能的多穩(wěn)定性和結構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制器中進行演示應用。

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

(B) 剪紙微結構在未變形、拉伸和壓縮狀態(tài)下的光學圖像和 FEA 結果。

(D) 3D 打印 X 形積木結構的三種不同穩(wěn)定配置的光學圖像和 FEA 結果。

文章報道了一類具有指數級增加的穩(wěn)定狀態(tài)的分級機械超材料的設計、制造和表征。從可編程的X形三穩(wěn)態(tài)積木結構出發(fā)，設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，具有扭轉多穩(wěn)態(tài)或獨立控制多向的能力多重穩(wěn)定性。經過驗證的力學建模作為設計策略的基礎，揭示了微觀結構幾何與由此產生的能量景觀之間的潛在關系。設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。此外還利用結構的多樣性和獨立控制的三穩(wěn)態(tài)來實現一種調幅器，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):