Universal inverse design of surfaces with thin nematic elastomer sheets

反向 弹性体 材料科学 液晶 复合材料 几何学 数学 光电子学
作者
Hillel Aharoni,Yu Xia,Xinyue Zhang,Randall D. Kamien,Shu Yang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:115 (28): 7206-7211 被引量:274
标识
DOI:10.1073/pnas.1804702115
摘要

Programmable shape-shifting materials can take different physical forms to achieve multifunctionality in a dynamic and controllable manner. Although morphing a shape from 2D to 3D via programmed inhomogeneous local deformations has been demonstrated in various ways, the inverse problem-finding how to program a sheet in order for it to take an arbitrary desired 3D shape-is much harder yet critical to realize specific functions. Here, we address this inverse problem in thin liquid crystal elastomer (LCE) sheets, where the shape is preprogrammed by precise and local control of the molecular orientation of the liquid crystal monomers. We show how blueprints for arbitrary surface geometries can be generated using approximate numerical methods and how local extrinsic curvatures can be generated to assist in properly converting these geometries into shapes. Backed by faithfully alignable and rapidly lockable LCE chemistry, we precisely embed our designs in LCE sheets using advanced top-down microfabrication techniques. We thus successfully produce flat sheets that, upon thermal activation, take an arbitrary desired shape, such as a face. The general design principles presented here for creating an arbitrary 3D shape will allow for exploration of unmet needs in flexible electronics, metamaterials, aerospace and medical devices, and more.
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