液晶弹性体中缺陷、形状演化及程序化自折纸建模

液晶弹性体代表了一类新颖的可编程形状变换材料，其形状变化轨迹编码于材料的向列相指向矢场中。利用三维非线性有限元弹性动力学模拟，我们对多种不同的驱动几何结构和器件设计进行了建模：包含拓扑缺陷的薄膜、诱导折叠和扭曲形成的图案，以及浅浮雕结构。在模拟模型中包含有限弯曲能量揭示了驱动轨迹的特征，这些特征在忽略弯曲能量时可能缺失。我们考察了具有贯穿膜厚均匀的指向矢图案的几何结构，该图案编码了多个正高斯曲率区域。模拟表明，均匀加热这样的系统会产生一种无序状态，由于薄膜的上下对称性，弯曲区域在两个方向上随机出现。相比之下，通过先加热材料一侧施加热梯度打破了上下对称性，并导致确定性轨迹，产生更有序的最终形状。我们证明了包含切口区域的折叠区设计在不翘曲或屈曲的情况下适应横向位移；并证明了浅浮雕和更复杂的弯曲-扭曲结构可以通过组合简单设计基元来组装。