Conceitos de design e demonstração de metamateriais mecânicos multiestáveis 2D com microestruturas kirigami em forma de X. (A) Ilustração esquemática da construção hierárquica de um metamaterial mecânico multiestável 2D, incluindo as células octogonais, Estrutura de bloco de construção em forma de X, e microestruturas kirigami. (B) Imagens ópticas e resultados FEA das microestruturas kirigami em não deformado, esticado, e estados compactados. (C) Curva tensão-deformação nominal da microestrutura kirigami em (B), sob tensão e compressão uniaxial. (D) Imagens óticas e resultados FEA das três diferentes configurações estáveis da estrutura de blocos de construção em forma de X impressa em 3D. (E) Dependências da força normalizada e da energia de deformação normalizada no deslocamento horizontal aplicado à estrutura de bloco de construção tristable em forma de X em (D). A denota a área da seção transversal da microestrutura; Ec e Et denotam os módulos de compressão e tração, respectivamente; d denota a distância marcada em (D). (F) Demonstração experimental das configurações estáveis de uma célula octogonal no metamaterial mecânico. As setas vermelhas indicam as direções nas quais as barras de conexão horizontal e vertical se movem. O estado intermediário onde nenhuma barra de conexão se move é marcado por uma moldura vermelha tracejada. (G) Demonstração experimental de cinco configurações estáveis representativas de um metamaterial mecânico impresso em 3D com os mesmos parâmetros geométricos que em (A). Barras de escala, 1 mm (B), 5 mm (D e F), e 25 mm (G). Créditos das fotos:Hang Zhang, Universidade de Tsinghua. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abf1966
Metamateriais mecânicos multiestáveis são materiais artificiais cuja microarquitetura oferece mais de duas configurações estáveis diferentes. Os metamateriais mecânicos existentes dependem de designs baseados em origami ou kirigami com instabilidade instantânea e mecanismos flexíveis microestruturados. Estruturas escaláveis que podem ser construídas a partir de metamateriais mecânicos com um número extremamente grande de configurações estáveis programáveis permanecem indefinidas. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Hang Zhang e uma equipe de pesquisa em engenharia, eletrônicos, e tecnologia de estrutura avançada em Pequim, China, usou a assimetria elástica de tração / compressão de microestruturas kirigami para projetar uma classe de estruturas tristáveis em forma de X. A equipe usou essas construções como elementos de bloco de construção para construir metamateriais mecânicos hierárquicos com geometrias cilíndricas unidimensionais, Redes quadradas 2D e redes 3D cúbicas ou octaédricas com multiestabilidade multidirecional. O número de estados estáveis aumentou com o número de células de metamateriais mecânicos incorporados no trabalho, e a versatilidade multiestabilidade e diversidade estrutural demonstraram aplicações em operadores lógicos ternários mecânicos com funcionalidades incomuns.
Metamateriais mecânicos
Metamateriais mecânicos são um tipo de materiais artificiais que consistem em microestruturas periódicas com arquiteturas projetadas para oferecer propriedades mecânicas que ultrapassam os materiais convencionais. Apesar dos avanços na área, continua sendo um desafio projetar metamateriais hierárquicos com diversos estados estáveis e propriedades de estado estacionário precisamente adaptadas. Nesse trabalho, Zhang et al. introduziu uma classe de microestruturas kirigami em forma de X como elementos de bloco de construção tristáveis a partir de um esquema ascendente para alcançar metamateriais mecânicos hierárquicos, com um número maior de estados estáveis. A assimetria elástica de tração-compressão de microestruturas kirigami e a tristeza controlada de forma independente dos metamateriais hierárquicos permitiu-lhes realizar vibrações de baixa frequência controladas ao longo de diferentes direções no plano para as funções desejadas, incluindo supressão de ruído e comunicação não linear.
Metamateriais mecânicos multiestáveis com construções hierárquicas
Estratégia de design bottom-up e demonstração de metamateriais mecânicos multiestáveis 3D. (A) Ilustração esquemática de um metamaterial mecânico multiestável de torção que consiste em quatro camadas endereçáveis individualmente. Cada camada é composta por um anel condutor, um anel de restrição, dobradiças, um rolamento, e uma estrutura de bloco de construção em forma de X. (B) Imagens ópticas e resultados FEA de cinco configurações estáveis representativas de um metamaterial mecânico de torção impresso em 3D com os mesmos parâmetros geométricos que em (A). (C) Ilustração esquemática dos metamateriais mecânicos multiestáveis cúbicos e octaédricos. As linhas tracejadas em laranja e vermelho indicam os eixos de rotação da célula octogonal para formar metamateriais mecânicos 3D. (D) Demonstração experimental de três configurações estáveis representativas dos metamateriais mecânicos multiestáveis cúbicos e octaédricos impressos em 3D. Barras de escala, 15 mm. Créditos das fotos:Hang Zhang, Universidade de Tsinghua. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abf1966
A equipe conduziu a modelagem mecânica quantitativa das microestruturas kirigami em forma de X com base em análises de elementos finitos. Os resultados indicaram um mecanismo de deformação dominado por flexão sob alongamento uniaxial com um módulo de tração e módulo de compressão muito mais baixos. A energia de deformação calculada indicou três pontos mínimos para confirmar a instabilidade da estrutura do bloco de construção em forma de X. Os cientistas também apresentaram metamateriais mecânicos multiestáveis com geometrias cilíndricas 1-D e redes 3D cúbicas ou octaédricas. O projeto permitiu duas configurações estáveis adicionais com base em rotações no sentido horário ou anti-horário, conforme evidenciado pelo perfil de energia. A célula octogonal oferece até 3 20 configurações estáveis em teoria, que até então era inacessível. O número extremo de estados estáveis forneceu um conceito promissor para o processamento de informações, conforme mostrado com portas lógicas ternárias mecânicas e operadores lógicos combinados.
Desenho e demonstração experimental da célula octogonal. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abf1966
Relação entre propriedades mecânicas e projetos geométricos de microestruturas kirigami e estruturas de blocos de construção em forma de X
Em seguida, os cientistas procuraram compreender a relação microestrutura-propriedade para avaliar o projeto hierárquico dos metamateriais mecânicos multiestáveis propostos. Para conseguir isso, eles se concentraram na estrutura de blocos de construção em forma de X e estabeleceram a conexão de seus principais parâmetros geométricos com a paisagem de energia resultante. A equipe dividiu os parâmetros geométricos em duas categorias, uma relacionada à microestrutura do kirigami e a outra ao composto em forma de X. Eles então desenvolveram um modelo teórico de deformação finita para prever a curva tensão-deformação da microestrutura kirigami, onde os resultados teóricos estavam de acordo com os experimentos. A equipe aumentou ainda mais o módulo de compressão das microestruturas kirigami, substituindo a região de conexão por polímeros rígidos. As microestruturas simuladas que se deformaram sob tensão e compressão também mostraram boa concordância com as imagens ópticas.
Relação microestrutura-propriedade da estrutura de blocos de construção em forma de X. (A) Ilustração esquemática da microestrutura do kirigami e os principais parâmetros do projeto. (B) Resultados experimentais e FEA das curvas tensão-deformação de tração da microestrutura kirigami com uma faixa de diferentes comprimentos de corte normalizados (l¯1 =l1 / ae l¯2 =l2 / a). (C) Gráfico de contorno do módulo de elasticidade efetivo da microestrutura kirigami em relação aos comprimentos de corte normalizados (l¯1 e l¯2). (D) Resultados experimentais e FEA das curvas tensão-deformação compressiva e de tração da microestrutura kirigami com projetos homogêneos e compostos. (E) Imagens ópticas e resultados FEA da microestrutura composta de kirigami em diferentes estados de carregamento [marcado em (D)]. (F) Ilustração esquemática da estrutura do bloco de construção em forma de X. Os principais parâmetros de projeto incluem a razão do módulo (η =Ec / Et) da microestrutura kirigami sob compressão para aquela sob tensão, o ângulo θ da estrutura em forma de X, e a relação de comprimento (L / L0). (G) Imagens ópticas e resultados FEA das duas configurações estáveis de estruturas de blocos de construção em forma de X com θ =25 ° e 40 ° (esquerda e direita) para razão de comprimento fixo (L / L0 =0,64). (H) Curvas de deslocamento de carga da estrutura de bloco de construção homogênea em forma de X com diferentes ângulos (θ), para razão de módulo fixo (η =101) e razão de comprimento (L / L0 =0,64). (I) Resultados semelhantes no caso de diferentes razões de comprimento (L / L0) para razão de módulo fixo (η =101) e ângulo (θ =30 °). (J) Curvas de deslocamento de carga da estrutura de bloco de construção em forma de X com diferentes ângulos (θ) para a razão do módulo fixo (η =240) e a razão do comprimento (L / L0 =0,64). Barras de escala, 1 mm (E) e 5 mm (G). Créditos das fotos:Hang Zhang, Tsinghua University.Credit:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abf1966
Portões mecânicos ternários
A flexibilidade da estrutura de bloco de construção tristable em forma de X permitiu aplicações de função lógica ternária mecânica, o que não poderia ser alcançado usando blocos de construção biestáveis. Por exemplo, com sistemas mecânicos apresentados em trabalhos anteriores, foi muito desafiador combinar muitas portas básicas para operações lógicas complexas. Comparativamente, a operação lógica ternária pode transmitir uma maior quantidade de informações enquanto usa um número reduzido de portas básicas para completar a mesma operação e mostrou vantagens na lógica fuzzy e no processamento de sinais. A equipe apresentou ainda uma porta NOT ternária mecânica composta por dois módulos, incluindo um conversor analógico-digital e um processador digital de deslocamento. Eles realizaram o conversor analógico-digital usando a estrutura de bloco de construção tristable em forma de X e desenvolveram o processador de deslocamento digital para reverter a direção do deslocamento de entrada e conduziram demonstrações experimentais da funcionalidade da porta NOT fabricada.
A operação lógica ternária das portas AND e OR era mais complicada em comparação com os operadores binários. A flexibilidade do projeto modular facilitou operações lógicas complexas baseadas nas portas básicas. O grande número de estados estáveis facilitados com metamateriais mecânicos multiestáveis permitiu operações ternárias complexas de múltiplas entradas. Por exemplo, um operador lógico baseado em um metamaterial mecânico servido como um conversor analógico para digital integrado com um processador de deslocamento digital especialmente projetado para realizar uma operação complexa de destino para quatro entradas diferentes. Operadores lógicos dessa natureza podem permitir o processamento paralelo de entradas em diferentes direções para obter duas saídas independentes.
Aplicações na modulação de amplitude da vibração de baixa frequência. (A) Ilustração conceitual do projeto modular do modulador de amplitude. Aqui, o modulador de amplitude funciona ao longo dos eixos xey, e o sinal de deslocamentos de entrada / saída é consistente com o sinal dos eixos de coordenadas. O módulo 1 serve para enfraquecer a transmissão de força, e o módulo 2 combina a força transmitida com as unidades tristáveis para atingir uma saída de deslocamento regulada. (B) Deslocamentos de entrada e saída ao longo da direção x versus o tempo para um baixo nível de amplitude, mostrando a função de filtrar a onda triangular como a onda triangular truncada. As imagens ópticas no painel inferior correspondem aos dois estados marcados nas curvas. (C) Resultados semelhantes no caso de um nível intermediário de amplitude, mostrando a função de filtrar a onda triangular como a onda escalonada. (D) Resultados semelhantes no caso de um alto nível de amplitude, mostrando a função de filtrar a onda triangular como a onda quadrada. Barras de escala, 15 mm. Créditos das fotos:Hang Zhang, Universidade de Tsinghua. Avanços da Ciência, doi:10.1126 / sciadv.abf1966 
Os cientistas apresentaram os projetos de um modulador de amplitude bidirecional desenvolvido com metamateriais mecânicos multiestáveis. Eles filtraram a vibração de baixa frequência da configuração experimental, onde o deslocamento de entrada negativa foi tremendamente suprimido, enquanto o deslocamento positivo da entrada é transmitido com uma fidelidade relativamente alta. Esses dispositivos mecânicos serão eficazes para integração em robôs que trabalham em ambientes hostis, como alta radiação e campos magnéticos fortes, onde os dispositivos eletrônicos não funcionariam tão eficazmente. A capacidade de modular a vibração também pode ser usada para supressão de ruído e comunicação não linear.
Demonstração experimental dos operadores lógicos complexos. Avanços da Ciência, doi:10.1126 / sciadv.abf1966
Panorama
Desta maneira, Hang Zhang e colegas detalharam o design, fabricação e caracterização de uma classe de metamateriais mecânicos hierárquicos com um número exponencialmente aumentado de estados estáveis. A equipe começou com a estrutura de bloco de construção tristable em forma de X programável e progrediu para projetar metamateriais mecânicos hierárquicos, incluindo geometrias cilíndricas 1-D, Redes quadradas 2D e redes 3D cúbicas ou octaédricas. Esses construtos mostraram capacidade para multiestabilidade torcional ou multiestabilidade multidirecional controlada de forma independente. Os resultados lançam luz sobre a relação subjacente entre as geometrias microestruturais e o cenário de energia resultante. A equipe mostrou aplicações em portas lógicas ternárias mecânicas, incluindo as três portas básicas (AND, NÃO, e portas OR) e suas operações lógicas combinadas. Os dispositivos mecânicos são promissores para aplicações em robótica leve e atuadores. Os dispositivos mecânicos serão mais vantajosos do que os dispositivos elétricos tradicionais para economizar energia e para resistência à corrosão em ambientes agressivos.
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