分层机械超材料提供多种稳定配置

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。现有的机械超材料依赖于折纸或剪纸设计，具有快速通过的不稳定性和微结构软机制。可以从具有大量可编程稳定配置的机械超材料构建的可扩展结构仍然难以捉摸。在现在发表在《科学进展》上的新报告中张航和北京的工程、电子和先进结构技术研究团队，利用剪纸微结构的弹性拉伸/压缩不对称性设计了一类X形三稳态结构。该团队使用这些构造作为积木元素来构建具有一维圆柱几何形状、2D 方形晶格和具有多向多稳定性的 3D 立方或八面体晶格的分层机械超材料。稳定态的数量随着工作中机械超材料的细胞数量而增加，多功能的多稳定性和结构多样性证明了在具有不寻常功能的机械三元逻辑算子中的应用。

机械超材料

机械超材料是一种由周期性微结构组成的人造材料，其结构旨在提供超越传统材料的机械性能。尽管在该领域取得了进展，设计具有不同稳态和精确定制稳态特性的分层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 形剪纸微结构作为三稳态积木元素，从自下而上的方案开始实现分层机械超材料，并增加了稳定状态的数量。kirigami 微结构的弹性拉伸-压缩不对称性和分层超材料的独立控制的三稳态使它们能够实现沿不同面内方向的受控低频振动，以实现所需的功能，包括噪声抑制和非线性通信。

该团队基于有限元分析对 X 形剪纸微观结构进行了定量力学建模。结果表明在单轴拉伸下弯曲主导的变形机制具有低得多的拉伸模量和压缩模量。计算的应变能表明三个最小点，以确认 X 形积木结构的不稳定性。科学家们还展示了具有 1-D 圆柱几何形状和 3D 立方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，如能量分布所示。八角形电池提供多达 3 20理论上稳定的配置，这是迄今为止无法获得的。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，如机械三元逻辑门和组合逻辑运算符所示。

剪纸微结构和X形积木结构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-性能关系，以评估所提出的多稳态机械超材料的分层设计。为了实现这一目标，他们专注于 X 形积木结构，并将其关键几何参数与由此产生的能源景观联系起来。该团队将几何参数分为两类，一类与剪纸微观结构有关，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剪纸微观结构的应力-应变曲线，其中理论结果与实验非常吻合。该团队通过用硬聚合物替换连接区域进一步增加了剪纸微结构的压缩模量。

机械三元门

X形三稳态积木结构的灵活性允许机械三元逻辑功能的应用，这是使用双稳态积木无法实现的。例如，对于早期工作中提出的机械系统，将许多基本门组合起来进行复杂的逻辑运算是非常具有挑战性的。相比较而言，三元逻辑运算可以在使用较少数量的基本门来完成相同运算的情况下传递更多的信息，并且在模糊逻辑和信号处理方面显示出优势。该团队进一步展示了一个由两个模块组成的机械三元非门，其中包括一个模数转换器和数字位移处理器。他们使用X形三稳态积木结构实现了模数转换器，并开发了数字位移处理器来反转输入位移的方向，并对制造的非门功能进行了实验演示。

与二元运算符相比，与门和或门的三元逻辑运算更为复杂。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了大量稳定状态，允许多个输入的复杂三元操作。例如，基于机械超材料的逻辑算子作为模数转换器与专门设计的数字位移处理器集成，以实现对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并行处理不同方向的输入以获得两个独立的输出。

控制低频振动的幅度

科学家们展示了用多稳态机械超材料开发的双向幅度调制器的设计。他们从实验装置中过滤了低频振动，其中负输入位移被极大地抑制，而正输入位移以相对较高的保真度传输。这种机械设备将有效地集成到在高辐射和强磁场等恶劣环境中工作的机器人中，在这些环境中，电子设备将无法有效地发挥作用。调制振动的能力还可用于噪声抑制和非线性通信。

外表

通过这种方式，Hang Zhang 及其同事详细介绍了一类具有指数级增加稳定状态的分级机械超材料的设计、制造和表征。团队从可编程的 X 形三稳态积木结构开始，逐步设计分层机械超材料包括 1-D 圆柱几何、2D 方格和 3D 立方或八面体格。这些构造显示出扭转多稳定性或独立控制的多方向多稳定性的能力。结果揭示了微观结构几何形状与由此产生的能源景观之间的潜在关系。该团队展示了机械三元逻辑门中的应用，包括三个基本门(AND、NOT 和 OR 门)及其组合逻辑运算。机械设备有望应用于软机器人和执行器。机械装置将比传统电气装置更有利于节能和耐腐蚀 在恶劣的环境中。

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