Reconfigurable origami-inspired multistable metamorphous structures
可重构折纸启发的多稳态变质结构
第 10 卷第 22 期
Abstract 抽象
受折纸启发的变质结构可以根据操作要求调整其形状和机械行为。然而,它们通常由非刚性折纸组成,其中所需的刻面变形使驱动复杂化,并使它们高度依赖于材料。在这项研究中,我们提出了一种由模块化双稳态单元组成的折纸结构,每个双稳态单元都是一个刚性折纸。折纸折痕内的弹性以及山脉和山谷折痕线的切换使其具有双稳态。由此产生的结构具有多稳定性,使其能够在具有可编程轮廓的多种配置之间切换。这一概念通过势能分析和实验得到了验证。利用这一概念,我们开发了一种机器人肢体,能够在配置更改时提升和抓取。此外,我们使用折纸单元来构建一种超材料,其性质可能会随着构型的变化而变化。这些例子证明了该概念具有卓越的多功能性和在许多应用中的潜力。
INTRODUCTION 介绍
变质结构一直引起科学家和工程师的兴趣。这些结构的一个基本特征是它们的形状变化能力和伴随的机械性能变化。较新的可以根据需求 (1-7) 进行编程,有些甚至可以适应其操作环境 (8-13)。存在一系列受折纸对象启发的结构,因为这些简单的对象通常提供其他结构无法比拟的丰富几何特征。折纸变形结构已在机器人技术(14-21)、机械超材料(12、22-26)和航空航天可展开结构(27-29)等领域得到广泛开发。为了实现变形,一些折纸结构依赖于折痕的山地和山谷分配的切换来改变折叠运动 (30-34),而另一些折纸结构则利用材料的柔韧性来获得多稳定的变质结构 (5, 13, 19, 24, 25, 35-37).目前,大多数此类结构都采用特定的变形机制或设计,几乎所有功能都源于该机制或设计。 换言之,一旦确定了结构的设计,它就很少能获得与原始设计相关的新配置(因此也无法获得新功能)(10,11,24,25,38-42)。 明显缺乏可重构性。
在这里,我们提出了一个新的可编程和可重构的模块化多稳态变质结构家族。该结构的构成单元由一对键合在一起的折纸细胞组成。在运动学上,该单元是一个具有运动分叉的刚性折纸。然而,我们能够证明,当活动折痕具有弹性时,该单元变得双稳态。这种单元的组装导致结构,这些变形结构可以改变其形状,并且可以通过切换其组成单元的稳定配置来重新配置。因此,在同一结构中,机械性能甚至其功能都可以改变。这些单元是可扩展的,概念是模块化的,结构的多种稳定配置仅与折痕的刚度和制造它们的折纸单元的其余状态有关,因此与刚性刻面的材料无关。这些特性为目标应用创建各种规模的结构提供了可能性。为了证明这一点,我们首先构建了一个机器人肢体,能够自动重新配置其操作轮廓以举起或保持各种形状的重量,其次,一种能够改变其机械性能(如泊松比)的可编程机械超材料。制作原型以验证这些概念。我们期望我们的多稳态变质结构将促进先进超材料和可重构变形结构的发展。
RESULTS 结果
Geometry of the cells and unit
单元和单元的几何形状
折纸单元是两个相似的折纸单元的组合。第一个折痕模式,称为单元格 I,如图 1A 所示。黑色实线是山地折痕,而虚线是山谷折痕。所有倾斜的折痕都是平行的,其余的都是水平的。它是一种具有单一自由度 (DOF) 的刚性折纸图案。θ 是中央菱形对角线两侧两个三角形刻面之间的二面角,可以被视为唯一确定细胞折叠形状的输入,如图案下方给出的那样。关键的几何参数是尺寸 a 和 b。在这里,我们首先取 a = b,α = π/4。此外,我们让 β = α。细胞 II 的折痕模式如图 1B 所示。它具有相同的几何参数,但与单元格 I 中的折叠分配相反,除了两个阴影中心菱形周围的折叠分配。菱形的边缘是休眠的折痕。为了满足刚性可折叠条件,沿其对角线的折痕成为谷状折痕。其部分折叠的形状显示在图案下方。电影 S1 中展示了两种折纸细胞的行为。
折纸单元,如图 1C 所示,是通过将单元格 II 堆叠在单元格 I 的顶部,然后分别将两个单元格的阴影中心菱形及其相应的左右边缘粘合在一起而创建的。当两个单元格中的 θ 角相同时,这是可能的。该单元仍然是一个平面可折叠的刚性折纸,具有具有 θ 角的单个景深,现在合并在一起,作为输入,它很容易展开和折叠。
可以得到 θ 和 δI 以及 δII 之间的关系,即三角形面与其相邻的平行四边形面之间的二面角,分别是单元格 I 和 II 的中心菱形边之一(文本 S1)。我们在图1E中绘制了它们。可以看出,当 θ = π时,两个电池都是完全平坦的。减小 θ 导致细胞 I 折叠,δI 沿蓝色路径稳步减小,而II δ保持在π。相反,如果 θ 增加,即单元 I 中沿菱形对角线的山谷折痕与山形折痕倒置,则沿中央菱形边缘的休眠折痕被激活。δII 沿黑色路径减少,而 δI 作为恒定π保持不变,表明细胞 I 菱形边缘的折痕处于休眠状态。实际上,单元 I 和 II 被切换,如图 1(C 和 D)所示。这种转变仅在 θ = π 时发生。换句话说,θ = π 是一个运动学分岔点。
构建了该单元的卡片模型,其中两个中心菱形的对角线折痕被切开,以减少材料厚度的影响,因为在形成单元时,单元在这些菱形上粘合在一起,使这些区域相当厚。单元在不同状态之间的转换如图 1F 和视频 S1 所示。会上提出了两点意见。首先,通过用探针在接近分叉状态的配置中戳入单元的凸中心顶点,单元从一个配置捕捉到另一个配置。其次,尽管理论上两个电池在通过分叉状态后可能以相同的形状展开,如图 1D 所示,但由于我们接下来将讨论的原因,这种情况在实践中从未发生过。
Bistability of the unit 装置的双稳态
在大多数折纸模型中,折痕并不是可以自由旋转的完美机械关节。相反,它们表现出一定的刚度。如果假设折痕的行为类似于线弹性扭转弹簧,每单位长度的刚度为 k,而刻面是刚性的 (5, 32, 38),则每个单元的势能为
现在考虑静止角为 θI0 = π/2 的单元格 I。其归一化势能 (NPE) 与 θ 的关系曲线在图 2A 中以蓝色绘制。值得注意的是,能量曲线在 θ = θI0 = π/2 和 θ = 3π/2 处有两个井。这表明细胞 I 是具有两种稳定状态的双稳态结构。如果单元 II 的构造与单元 I 完全相同,即 θII0 = 3π/2,因为我们在单元 II 中定义 θ 的方式,它也将表现出两种稳定状态,一种在 θ = θII0 = 3π/2,另一种在 θ = π/2 处,如图 2A 中的绿色曲线所示。细胞 II 的第二个稳定状态与细胞 I 的第一个稳定位置匹配。 因此,我们可以折叠细胞 II 以达到 θ = π/2 的构型,然后将两个细胞粘合在一起以创建一个单元。单元边缘折痕处的其余角度设置为边缘发生粘合时的角度,相关能量在图 2A 中以红色绘制。该单位的总势能 Π 如图 2B 所示。分岔态(θ = π)对称,Π分别在θ1 = π/2和θ2 = 3π/2处有两个井,表明该单元如预期的那样存在两种稳定状态。如果我们选择 θI0 = π/3 和 θII0 = 3π/2,则总能量曲线不再对称,但在 θ1 = 0.419π 和 θ2 = 1.557π 处仍然有两个阱,与每个单元的角度不同(见图 2C)。当 θI0 = 2π/3 和 θII0 = 3π/2 时,图 2D 中显示的能量曲线与其他单元的能量曲线相似,其中两个能量阱出现在 θ1 = 0.586π 和 θ2 = 1.442π。 可以得出结论,如果折痕表现得像线性弹性旋转铰链,折纸单元就会变成一个双稳态结构,其稳定状态与每个细胞的稳定状态相关,但略有不同。图 2E 给出了在选择不同的细胞初始静止状态时,两种稳定状态下的角度 θ 的轮廓。
对于所有单元,当θ = π时,始终存在局部NPE峰,例如,图2B中所示的那个。然而,两个稳定状态之间的切换不太可能在这个峰值上遵循NPE曲线。任何微小的扰动都会导致结构迅速从一种稳定状态卡入到另一种稳定状态,类似于弯曲弹性梁系统屈曲的卡扣行为(43)。我们对图 1F 和电影 S1 中所示的卡片模型的观察证实了这一点。此外,这两个单元格永远不会采用相同的形状,因为这样做将需要更高的 NPE(文本 S2)。
Experimental validation of bistable units
双稳态单元的实验验证
构建了SU1、SU2和SU3三个样本单元。首先,使用 0.6 mm 厚的弹性材料以未应变形式制造三组电池,其中 θI0 分别 = π/2、π/3 和 2π/3,而 θII0 保持在 3π/2 不变,并将 0.4 mm 厚的碳纤维层压板切割并粘合到每个刻面上,以保持刚性折纸并将所有变形限制在折痕上(见图 3A)。然后使用钻机将每个单元 II 变形为其 θ 接近 θI0 的形状,然后与单元 I 结合形成一个单元。两个单元格的边缘都稍微宽一些,以便相应的边缘可以粘合在一起以形成单元的边缘折痕(文本 S3)。
然后,我们测量了对应于单元的两个稳定配置的角度,其值如图 3A 所示。实际角度接近理论角度,最大误差为16.7%(SU2的θ2)。
每个单元总共进行了四次实验。从其两种稳定状态开始,一个单元被压缩以通过侧向力(增加 θ)或一组面内点力(减小 θ)离开该状态,如图 3B 所示。然后,通过对相应位移上的测量力进行积分来获得能量曲线。SU1 的 NPE 与 θ 的关系图如图 3C 所示。实验曲线的趋势与分析曲线的趋势吻合良好,尽管计算出的NPE被高估了。这是因为原型的折痕具有有限的宽度,而折痕的理论宽度为零,因此,实际模型的刚度不如分析模型。
图 3D 显示了第一个原型在外部刺激下的过渡过程(视频 S2)。我们注意到,该装置从未折叠平整,因为平坦的配置不对应于任何稳定状态,并且在不到 1 秒的时间内发生了卡通过程,如第二排的第一张和第二张照片所示。该单元的两个稳定状态彼此对称。
Multistable robotic limb made from the origami unit
由折纸单元制成的多稳态机器人肢体
折纸单元是可扩展的,可以用作机器人的构建块。在这里,我们使用机器人肢体来展示其巨大的可能性。图4A显示了折纸模式及其部分折叠状态,该肢体由三个单元的链组成,其中两个单元通过一个倒置的单元桥接在一起。请注意,尽管我们声明有三个单元,但相邻单元的某些方面实际上是重叠的。在其前视图中,我们使用 ⊕ 或 ⊖ 来标记单元向上或向下凸起时的轮廓。这种多稳态机器人肢体由三个主要组件组成:折纸骨架,一组由形状记忆合金(SMA)制成的弧形条带,安装在每个单元的中心顶点上以进行重新配置,以及整个结构上的柔性气密皮肤和一个用于在每个配置中部署骨架的泵(文本S4)。图 4B 显示了 SMA 条带在一个单元中的排列,其中一对 SMA 条安装在中心顶点的两侧,因此总共有六个 SMA 条带。加热 1 可能会迫使顶点反转,导致单元从 ⊕ 配置切换到 ⊖配置,反之亦然(电影 S3)。与传统的执行器不同,SMA 条带不提供连续控制。相反,它只提供了一个冲动的时刻,让装置从 ⊕ 卡到⊖,因此在设计上要简单得多。一旦骨架进入特定配置,例如⊖-⊕-⊖,SMA致动器产生的力就可以被移除而不引起配置变化,因为每个配置在机械上都是稳定的。然而,它的形状可以通过改变袋子中的压力来进一步改变。由于肢体有三个单元,因此它总共有八种配置(23)。 图 4C 显示了这些配置。
机器人肢体有许多潜在的应用。例如,当肢体处于 ⊖-⊕-⊕ 配置时,它可以举起重物(电影 S4)。要充当抓手,它首先需要通过 SMA 条从 ⊖-⊕-⊖ 重新配置为 ⊕-⊕-⊕配置,然后通过从安全气囊中抽出空气来激活其形状变化来抓取物体。整个过程在图4D和视频S5中都有所演示。与现有的单一操作模式的假肢相比,这种多稳态气动驱动的假肢提供了更多的操作可编程性。例如,它在一个组件中实现了提升和抓取模式。此外,夹持器还可以轻松应对各种形状和重量的物体。
Reprogrammable mechanical metamaterials
可重编程机械超材料
不仅可以将双稳态单元串联放置以形成假肢,还可以横向扩展以创建可重构和可编程的机械超材料,以实现所需的特性,例如负泊松比、可变刚度和形状变换。
图 5A 显示了使用 0.12 毫米厚的卡片构建的折纸超材料,其图案由横向的三列单元组成。在纵向上,这些单元柱的排列类似于多稳肢的排列。列总数为 7 列,因此有 21 个单元。折纸图案如图 5B 所示。在其原始状态下,超材料呈现⊕、⊖、⊕、⊖、⊕、⊖和⊕的形状。请注意,同一列中的单元的行为完全相同,即它们要么是⊕的,要么是⊖的,否则将违反山脉和山谷规则。因此,它总共有128个稳定态(2,7)(电影S6),其中同一超材料的5个对称稳定构型如图5A所示。当折纸接近其平面形状时,一旦应用外部刺激,就可以达到可互换的配置。我们已经研究了超材料的泊松比,它被定义为 y 方向(文本 S5)的折叠比的函数。我们在超材料顶部放置了一块亚克力板,并在板顶部放置了两个重物,以在 y 方向上施加压缩力。然后得到泊松比 νxy 和 νzy,如图 5 所示(C 和 D)。νxy始终为负,且随着折叠率的增加呈单调减小趋势,而νzy根据折叠率的不同,可以是正的,也可以是负的。
可重编程机械超材料的不同配置数量取决于串联单元的数量。它是 C(n, 2),其中 n 是单位的数量。图 5E 显示了由 11 个单元组成的单一结构,这些单元在 55 种可能的配置中有四种配置。每列都显示特定配置中结构的可部署顺序。在α = β的地方,而不是只使用对称的单位(见图1A),也可以在α ≠ β的地方包括不对称的单位。图 5F 中显示了一个示例,其中包含四种配置以及许多其他配置。使用不对称单元会导致螺旋形轮廓,从而避免单元链中的第一个单元和最终单元之间的碰撞。
DISCUSSION 讨论
报告的工作为处理许多稳定构型的多稳定结构提供了一个基于折纸的构建块。此功能允许结构从一组运动重新配置到完全不同的一组运动。一旦发生重新配置,机械性能也会随着新的稳定结构布局而发生相应变化。我们已经展示了一种模块化结构概念,其中可以有效地利用单元的几何设计来定制其两种稳定的配置,并且单个单元的行为会产生此类结构中罕见的整体可重构特征。我们的研究结果得到了实验的验证。据观察,尽管使用了不同刚度的各种材料,但我们的物理模型的运动学行为与刚性折纸行为大致接近,因为它们具有基于刚性折叠的设计。本文提出的方法可以扩展到更大尺度和更小尺度的变质结构。由于我们的机械超材料是多稳态的,因此它们也可以设计为实现目标几何配置和物理性能。虽然我们只用了两个例子来展示我们的模块化变形结构的潜力,但我们的研究为可重构形状变形结构和超材料结构提供了一种新的设计范式,可用于实现多功能机器人系统、仿生变形机制和先进超材料。
MATERIALS AND METHODS 材料和方法
使用卡片纸(0.2 mm厚,160 g / m2)折叠双稳态折纸单元(图1)。折纸超材料(图5)是用卡片纸(0.12 mm厚,100 g/m2)构建的。三个样品单元(图3)和机器人肢体(图4)的细胞采用聚氨酯弹性体(Hei-Cast 8400,0.6 mm厚,杨氏模量,12 MPa)制备。碳纤维层压板(0.4 mm 厚,杨氏模量 230 GPa)粘合到电池的每个面上,以保持刚性折纸。柔韧的气密表皮由聚乙烯薄膜(0.15 毫米厚)制成。有关原型制造的详细信息,请参阅文本 S3 和 S4。
机器人肢体的SMA条带(边长为32.0 mm,宽度为8.0 mm,厚度为0.15 mm)在9.5A电流、通电5.0 s时升温。气泵可以提供 −90 kPa 真空,空气流量为 15 升/分钟。多稳态机械肢体的提升和抓取实验细节详见文本S4。样品单元的机械测试是在INSTRON 9350拉伸试验机上进行的。
Acknowledgments 确认
资金:我们感谢国家自然科学基金(第52192631项、第52320105005项、第51835002项)的支持。Z.Y.感谢香港大学的支持,香港大学在撰写本文时担任访问研究教授。
作者贡献:概念化:H.G.、Z.Y. 和 C.W. 方法论:H.G.、Z.Y.、C.W. 和 Y.C. 调查:C.W.、H.G. 和 R.L. 数据分析:C.W.、R.L. 和 Z.D. 监督:H.G.、Z.Y. 和 Z.D. 写作(初稿):C.W.、Z.Y. 和 H.G. 写作(审查和编辑):所有作者。
利益争夺:提交人声明,他们没有相互竞争的利益。
数据和材料可用性:评估论文中结论所需的所有数据都包含在论文和/或补充材料中。
Supplementary Materials 补充材料
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电影 S1 至 S6 的图例
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REFERENCES AND NOTES 参考资料和注释
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