拉胀表面

双稳态拉胀表面（负泊松比）结构

IAN CHEN1，JULIAN PANETTA2，MAX SCHNAUBELT3，MARK PAULY1

1瑞士洛桑联邦理工学院

2美国加州大学戴维斯分校

3德国慕尼黑工业大学

我们提出了一种基于优化双稳态拉胀（负泊松比）单元的创新可展开材料系统，称为双稳态拉胀（负泊松比）表面结构。

这种结构可以由弹性片材平面制造，然后通过激活其组件单元的双稳态机制展开为所需的双曲面目标形状。

其独特之处在于，展开后的模型在设计上处于稳定状态。这使得展开过程无需复杂的外部支撑或边界约束。

我们提出了一种用于双稳态拉胀（负泊松比）表面结构的逆向设计计算解决方案。我们的算法首先预计算了一系列双稳态拉胀单元，以涵盖不同平面内扩展/收缩比，并最大化单元的双稳态性和刚度，确保展开过程的稳健性。

然后，我们通过目标表面的度量扭曲分析，计算出平面制造状态，并将其组成最佳匹配所需展开变形的单元。

随着每个单元在展开过程中扩展或收缩，度量的挫折将推动表面达到其目标平衡状态。我们通过多个物理原型验证了我们的方法。

大规模形状变换在许多不同尺度的应用中至关重要，从药物的封装和释放到太空结构的建造不一而足。

尤其是可以从平面状态展开为所需目标几何形状的结构，能够显著减少制造、运输和施工的时间和成本。

在外太空或深海等极端环境中，可展开结构往往是唯一可行的建造方式。

传统的可展开结构通常采用规则的周期性图案来简化制造，并通过专门设计的边界约束实现展开。

这种结构的例子包括网格壳、索网、充气穹顶或可展开太阳能电池板。然而，通过边界约束实现的形状控制本质上是有限的，通常导致形状选择范围狭窄。

为了实现更复杂的目标形状，近年来的研究利用了先进制造技术，将目标形状的知识嵌入到材料系统本身中。

这种方法将复杂性从结构的边界转移到内部，通常能够实现简化的全局展开。研究人员还引入了智能材料，这些材料可以对某些环境条件做出反应，实现自主形状变化。

通常，智能材料如形状记忆聚合物、液晶弹性体和人工水凝胶是在一种状态下制造的，暴露于触发条件后，它们会转变为第二种状态。

贡献。在我们的工作中，我们提出了一种基于力学的新解决方案，以实现稳定的形状变换和展开。我们利用两个关键原则来解决这一挑战性问题，分别是（i）通过空间变化的各向同性扩展实现平面表面的展开，以及（ii）具有可调双稳态的拉胀性（负泊松比）。

我们引入了一种参数化的双稳态单元，通过几何变化，在第二个稳定平衡状态下提供连续的可扩展性。

我们展示了如何优化这些单元的排列，以将所需的度量挫折编程到平面片材中，从而使结构在全局上展开为所需的目标表面，并在展开力移除后保持稳定。我们通过扫描的物理原型和机械测试验证了我们的计算方法。

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【製作團隊】
企劃：了有和
腳本：parametrichouse
翻译：了有和
排版：了有和
校對：Tav、林晨
監製：了有和、Beatrice

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