基于缩减模型的平面制造实现的morphogenesis

工程从平面薄片制造复杂三维形状的能力，能够通过精确、可编程的控制在柔性机器人、可重构装置和功能材料中发挥关键作用。本文提出了一种基于双层系统的降阶数值和实验框架：一个能响应刺激的热塑性薄片（Shrinky Dink）粘接在纹理化的惰性塑料层上。均匀加热后，活性层收缩，而纹理化层约束平面伸缩但允许垂直弯曲，产生可编程的三维形态。我们的做法能够高效地计算设计和可扩展的制造三维形态，采用单层节点和单元的简化模型来捕捉伸缩和弯曲的耦合。与传统双层建模不同，我们的框架将多层复合材料压缩为单层节点和元素，减少自由度，使其能在二维几何上进行仿真。这通过引入一种新型能量公式实现，将平面伸缩失配与垂直弯曲之间的耦合捕捉——超越简单的各向同性线性弹性模型。实验上，我们建立了完全平面、可重复的制造程序，使用能响应刺激的热塑性材料和激光切割的惰性塑料层。编程化的应变失配驱动一系列三维形态，如碗、帆船和花瓣，均通过仿真和物理原型进行验证。