用可扩展的三稳态元件构建的分层机械超材料

供稿人：代鑫、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

多稳态机械超材料是人造材料，其微结构提供两种以上不同的稳定配置。现有的多稳态机械超材料主要依赖于折纸/剪纸启发的设计、快速通过不稳定性和微结构软机制，主要是双稳态基本单元。可以构建以形成具有大量可编程稳定配置的机械超材料的可扩展、三稳态结构元件仍然是虚幻的。在这里，我们利用剪纸微结构的弹性拉伸/压缩不对称性来设计一类可扩展的 X 形三稳态结构。使用这些结构作为积木元素，设计并展示了具有一维 (1D) 圆柱几何形状、2D 方形晶格和 3D 立方/八面体晶格的分层机械超材料，具有扭转多稳态或独立控制的多向多稳态能力。稳定态的数量随着机械超材料的细胞数量呈指数增加。多功能的多稳定性和结构多样性允许在具有不寻常功能的机械三元逻辑算子和幅度调制器中进行演示应用。

(A) 二维多稳态机械超材料的分层结构示意图，包括八角形单元、X 形积木结构和剪纸微结构。

(B) 剪纸微结构在未变形、拉伸和压缩状态下的光学图像和 FEA 结果。

(D) 3D 打印 X 形积木结构的三种不同稳定配置的光学图像和 FEA 结果。

文章报道了一类具有指数级增加的稳定状态的分级机械超材料的设计、制造和表征。从可编程的X形三稳态积木结构出发，设计并论证了具有一维圆柱几何、二维方格和三维立方/八面体晶格的分层机械超材料，具有扭转多稳态或独立控制多向的能力多重稳定性。经过验证的力学建模作为设计策略的基础，揭示了微观结构几何与由此产生的能量景观之间的潜在关系。设计灵活性和充足的稳定状态允许在机械三元逻辑门中进行演示应用，包括三个基本门（即非、与和或门）及其组合逻辑运算。此外还利用结构的多样性和独立控制的三稳态来实现一种调幅器，可以将不同幅度的低频振动过滤成不同的波形（例如截断三角波、阶梯波和方波）。

参考文献：
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):