Matter:集成面内和面外折痕实现可调折叠的超条带
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针对这一挑战,英国纽卡斯尔大学Weicheng Huang(黄炜成)博士与英国伯明翰大学Mingchao Liu(刘明超)博士共同提出了一种创新性的折叠结构设计方法。通过将面内折痕(Kink)和面外折痕(Crease)同时引入环形弹性条带中(图1),创造了可实现从平面到三维的可调折叠结构——超条带(Meta-ribbon)。此方法突破了传统折纸和软材料折叠结构的局限,使得折叠过程可以在连续(Continuous)模式和瞬态(Snapping)模式之间转换。这一研究成果以“Integration of kinks and creases enables tunable folding in
meta-ribbons”为题发表在国际知名期刊Matter上。合作者还包括南方科技大学Tian Yu(喻田)博士,新加坡南洋理工大学K. Jimmy Hsia(夏焜)教授以及美国普林斯顿大学Sigrid Adriaenssens教授。
图1 通过引入面内和面外折痕实现环形超条带的折叠。
图2 面内折痕引起的多边形弹性条带的折叠。
作者首先采用离散模型、理论分析和物理实验,系统地研究了环形弹性条带通过面内折痕和面外折痕的非线性折叠过程。结果发现,面内折痕引起的折叠过程对应超临界分叉,形成连续折叠的模式(图2);而面外折痕引起的折叠过程则对应亚临界分叉,从而导致弹性突跳,形成瞬态折叠(图3)。同时还获得了总结具有不同数量面内和面外折痕的圆环折叠过程中能量演化规律的一般曲线。
图3.面外折痕引起的环形弹性条带的折叠。
通过上述研究,作者发现面内折痕和面外折痕分别引起连续和瞬态折叠,因此提出将面内和面外折痕同时引入同一条带中,从而形成折叠过程可调控的弹性超条带。以一个含有8个面内折痕和8个面外折痕的正八边形超条带为例(图4),通过离散模型的计算,得到了在不同面内和面外折角组合情况下的能量分布,其中可以很明显地发现有一个能量分布不连续的区域。当折叠路径经过该区域时,对应的折叠过程为瞬态折叠,而当折叠路径不经过该区域时,则对应于连续折叠。该结果表明,针对同一超条带,通过控制不同的面内和面外折角的分布和变化,可以实现对特定折叠路径的选择。此外,动力学分析还发现,连续折叠过程不会出现振动,而瞬态折叠则会伴随比较强烈的振动。
图4同时含有面内和面外折痕的弹性超条带的折叠过程能量分布以及对应的动态折叠过程。
研究还进一步揭示了超条带在折角改变过程中,由于打破了旋转对称性形成的屈曲结构具有多稳态(图5)。针对具有8个面内/面外折痕的超条带,计算结果表面屈曲结构具有3个稳定状态;并且通过位移加载,可以实现在多个稳定状态之间的转换。
图5 弹性超条带中多个稳定状态的转换。
该研究深入揭示了控制可折叠结构中折叠过程的基本力学原理。通过同时引入面内和面外折痕构造了具有可调折叠特性的超条带。这种折叠行为的可调控性为可控动态折叠过程的实现以及不同稳定状态间的转换创造了机会。研究结果展示了所提出的方法的有效性,为从基础物理机制分析到新颖超材料设计,以及具有实际工程应用潜力的功能结构开发奠定了良好的基础。
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