作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 具有X形基里加米微结构的2D多稳态机械超材料的设计概念和演示
(一)2D多稳态机械超材料的分层结构示意图，包括八边形单元、X形积木结构和基里加米微结构
基里加米微结构在未变形、拉伸和压缩状态下的光学图像和有限元分析结果
(三)在单轴拉伸和压缩条件下，(二)中基里加米微结构的名义应力-应变曲线
(四)三种不同稳定构型的3D打印X形积木结构的光学图像和有限元分析结果
(五)标准化力和标准化应变能对施加于(四)中的X形三稳态建筑砌块结构的水平位移的依赖性
a表示微结构的横截面积；Ec和Et分别表示压缩模量和拉伸模量；D表示(D)中标记的距离
机械超材料中八边形单元稳定结构的实验演示
红色箭头表示水平和垂直连接杆的移动方向
中间的状态是没有连接杆移动，由红色虚线框标记
(七)具有与(一)相同几何参数的三维印刷机械超材料的五种典型稳定结构的实验演示
比例尺，1毫米(B)、5毫米(D和F)和25毫米(G)
摄影学分:张航，清华大学
学分:科学进步，doi: 10
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abf1966 多稳态机械超材料是人造材料，其微体系结构提供两种以上不同的稳定构型
现有的机械超材料依赖于折纸或基于kirigami的设计，具有快速穿透不稳定性和微结构软机制
可扩展的结构，可以建立从机械超材料与极大量的可编程稳定配置仍然难以捉摸
在最近发表在《科学进展》杂志上的一篇新报告中，张航和中国北京的一个工程、电子和先进结构技术研究小组利用基里加米微结构的弹性拉伸/压缩不对称性设计了一类X形三稳态结构
该团队使用这些结构作为构建模块元素来构建具有一维圆柱几何形状、2D正方形晶格和具有多向多稳态的三维立方体或八面体晶格的分层机械超材料
稳定状态的数量随着工作中包含的机械超材料单元数量的增加而增加，多功能的多稳态和结构多样性展示了在具有异常功能的机械三值逻辑运算符中的应用
机械超材料 机械超材料是一种人造材料，由周期性微结构组成，其结构设计可提供超越传统材料的机械性能
尽管在该领域取得了进展，但设计具有不同稳定状态和精确定制的稳态特性的分级超材料仍然具有挑战性
在这项工作中，张等人
引入了一类X形基里加米微结构作为三稳态构建模块元素，从自下而上的方案开始，以实现具有更多稳定状态的分级机械超材料
kirigami微结构的弹性拉压不对称性和分级超材料的独立可控三态性使它们能够实现沿不同面内方向的可控低频振动，以实现所需功能，包括噪声抑制和非线性通信
具有分级结构的多稳态机械超材料 三维多稳态机械超材料的自下而上设计策略和演示
(一)由四个可单独寻址的层组成的扭转多稳态机械超材料示意图
每一层由驱动环、约束环、铰链、轴承和X形积木结构组成
(二)几何参数与(一)相同的三维印刷扭转机械超材料的五种典型稳定构型的光学图像和有限元分析结果
(三)立方和八面体多稳态机械超材料示意图
橙色和红色虚线表示形成3D机械超材料的八边形单元的旋转轴
(四)三维印刷立方和八面体多稳态机械超材料三种典型稳定构型的实验演示
比例尺，15毫米
摄影学分:张航，清华大学
学分:科学进步，doi: 10
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abf1966 该团队基于有限元分析对“十”字形基里加米微结构进行了定量力学建模
结果表明，在单轴拉伸条件下，拉伸模量和压缩模量低得多，变形机制以弯曲为主
计算出的应变能显示了三个最小点，以确认X形建筑砌块结构的不稳定性
科学家们还展示了具有一维圆柱几何形状和三维立方体或八面体晶格的多稳态机械超材料
该设计允许基于顺时针或逆时针旋转的两个额外的稳定配置，如能量分布图所示
八角形电池在理论上提供了多达320种稳定的配置，这是迄今为止无法达到的
稳定状态的极端数量为信息处理提供了一个有前途的概念，如机械三值逻辑门和组合逻辑运算符所示
八角形电池的设计和实验演示
学分:科学进步，doi: 10
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abf1966 基里加米微结构和X形砌块结构的力学性能与几何设计的关系 接下来，科学家们试图了解微观结构与性能的关系，以评估所提出的多稳态机械超材料的分级设计
为了实现这一目标，他们将重点放在了X型建筑砌块结构上，并建立了其关键几何参数与最终能源景观之间的联系
该小组将几何参数分为两类，一类与基里加米微结构有关，另一类与X形复合材料有关
然后，他们开发了一个有限变形理论模型来预测基里加米微结构的应力-应变曲线，其中理论结果与实验结果吻合良好
研究小组通过用硬聚合物代替连接区域，进一步提高了基里加米微结构的压缩模量
拉伸和压缩变形的模拟微结构与光学图像也有很好的一致性
X形砌块结构的微观结构与性能关系
(一)基里加米微结构和关键设计参数示意图
(二)不同正火切割长度(l 1=l1/a，l 2=l2/a)下基里加米微结构拉伸应力-应变曲线的实验和有限元分析结果
基里加米微结构的有效弹性模量相对于标准化切割长度(l 1和l 2)的等高线图
(四)具有均匀和复合设计的基里加米微结构的拉伸和压缩应力-应变曲线的实验和有限元分析结果
(五)不同加载状态下复合材料细观结构的光学图像和有限元分析结果[标注在(四)中]
(六)十字形积木结构示意图
关键的设计参数包括基里加米微结构在压缩和拉伸下的模量比(η = Ec/Et)、X形结构的角度θ和长度比(L/L0)
(G)固定长度比(L/L0 = 0)下θ= 25°和40°(左右)的两种稳定构型的X形砌块结构的光学图像和有限元分析结果
64)
(H)固定模量比(η = 101)和长径比(L/L0 = 0)下不同角度(θ)的均质X形砌块结构的荷载-位移曲线
64)
(1)对于固定的模量比(η = 101)和角度(θ= 30°)，在不同的长度比(L/L0)的情况下类似的结果
(J)固定模量比(η = 240)和长度比(L/L0 = 0)下不同角度(θ)的复合X形砌块结构的荷载-位移曲线
64)
比例尺，1毫米(东)和5毫米(西)
摄影学分:张航，清华大学
学分:科学进步，doi: 10
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abf1966 机械三元门 X形三态构件结构的灵活性允许应用机械三态逻辑功能，这是使用双稳态构件无法实现的
例如，在早期工作中提出的机械系统，将许多基本的门组合起来进行复杂的逻辑运算是非常具有挑战性的
相比之下，三值逻辑运算可以传输大量的信息，同时使用较少的基本门来完成相同的运算，在模糊逻辑和信号处理方面具有明显的优势
该团队还提出了一个机械三值非门，由两个模块组成，包括一个模数转换器和一个数字位移处理器
他们使用X形三态构建块结构实现了模数转换器，开发了数字位移处理器来反转输入位移的方向，并对所制造的非门的功能进行了实验演示
与二进制运算符相比，“与”和“或”门的三进制逻辑运算更加复杂
模块化设计的灵活性促进了基于基本门的复杂逻辑操作
多稳态机械超材料促进的大量稳定状态允许对多个输入进行复杂的三元运算
例如，基于机械超材料的逻辑运算器充当模数转换器，与专门设计的数字位移处理器集成，以实现四种不同输入的复杂目标操作
这种性质的逻辑运算符可以允许对不同方向的输入进行并行处理，以获得两个独立的输出
在低频振动调幅中的应用
(一)调幅器模块化设计的概念说明
这里，振幅调制器沿x轴和y轴工作，输入/输出位移的符号与坐标轴的符号一致
模块1用于削弱力的传递，模块2将传递的力与三稳态单元相结合，以实现调节的位移输出
(二)对于低振幅水平，沿x方向的输入和输出位移与时间的关系，显示了将三角波过滤为截断三角波的功能
底部面板上的光学图像对应于曲线中标记的两种状态
(3)在振幅处于中间水平的情况下的类似结果，显示了将三角波滤波为阶梯波的功能
(4)在高振幅情况下的类似结果，显示了将三角波滤波为方波的功能
比例尺，15毫米
摄影学分:张航，清华大学
科学进步，doi: 10
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abf1966 控制低频振动的振幅 科学家们展示了用多稳态机械超材料开发的双向振幅调制器的设计
他们从实验装置中过滤出低频振动，其中负输入位移被极大地抑制，而正输入位移以相对高的保真度传输
这种机械装置对于在高辐射和强磁场等恶劣环境中工作的机器人的集成将是有效的，在这些环境中，电子装置将不能有效地工作
调制振动的能力也可以用于噪声抑制和非线性通信
复杂逻辑运算符的实验演示
科学进步，doi: 10
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abf1966 前景 通过这种方式，张航和他的同事详细描述了一类具有指数增长的稳定态的分级机械超材料的设计、制造和表征
该团队从可编程的X形三态积木结构开始，逐步设计出包括一维圆柱几何形状、2D正方形晶格和三维立方体或八面体晶格在内的分级机械超材料
这些结构显示了扭转多稳态或独立控制的多向多稳态的能力
研究结果揭示了微结构几何形状和最终能源景观之间的潜在关系
该团队展示了机械三值逻辑门的应用，包括三个基本门(与门、非门和或门)及其组合逻辑运算
这些机械装置有望应用于软机器人和执行器
机械装置将比传统的电气装置更有利于节约能源和在恶劣环境中的耐腐蚀性
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