在几何扰动机械超材料中编程双稳态

能够产生大变形的机械超材料是一个新兴的跨尺度功能器件与结构平台。双稳态设计尤其具有吸引力，因为它们赋予单个物体两种构型，展现出不同的形状、性质和功能。我们提出了一种策略，将常见的（非双稳态）超材料设计转化为双稳态设计，具体方法是通过对单胞进行几何扰动来引入不规则模式，并利用超材料大变形响应中固有的胞间约束。我们通过从经典的旋转正方形图案出发，为双稳态平面剪纸超材料构建一个设计框架来例证这一策略。该框架包含基于胞元的剪纸结构显式设计公式，可对两个稳态的形状进行前所未有的控制，以及一种优化方法，能够高效定制设计的几何特征以实现目标弹性性质和形状变化。通过多种多样的示例，包括实现两个任意形状稳态的非周期设计，展示了该框架的多功能性。定量和定性实验，以具有不同工程设计细节的原型为特色，补充了理论并揭示了该设计方法的优势与局限。这些结果展示了如何从非双稳态模板设计双稳态超材料，为进一步发现并非简单由已知双稳态单元排列而成的双稳态系统与结构铺平了道路。