Deep Learning-Accelerated Designs of Tunable Magneto-Mechanical Metamaterials

超材料 材料科学 辅助 磁电机 声学 带隙 光电子学 计算机科学 机械工程 磁铁 复合材料 物理 工程类
作者
Chunping Ma,Yilong Chang,Shuai Wu,Ruike Renee Zhao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (29): 33892-33902 被引量:57
标识
DOI:10.1021/acsami.2c09052
摘要

Metamaterials are artificially structured materials with unusual properties, such as negative Poisson's ratio, acoustic band gap, and energy absorption. However, metamaterials made of conventional materials lack tunability after fabrication. Thus, active metamaterials using magneto-mechanical actuation for untethered, fast, and reversible shape configurations are developed to tune the mechanical response and property of metamaterials. Although the magneto-mechanical metamaterials have shown promising capabilities in tunable mechanical stiffness, acoustic band gaps, and electromagnetic behaviors, the existing demonstrations rely on the forward design methods based on experience or simulations, by which the metamaterial properties are revealed only after the design. Considering the massive design space due to the material and structural programmability, a robust inverse design strategy is desired to create the magneto-mechanical metamaterials with preferred tunable properties. In this work, we develop an inverse design framework where a deep residual network replaces the conventional finite-element analysis for acceleration, realizing metamaterials with predetermined global strains under magnetic actuations. For validation, a direct-ink-writing printing method of the magnetic soft materials is adopted to fabricate the designed complex metamaterials. The deep learning-accelerated design framework opens avenues for the designs of magneto-mechanical metamaterials and other active metamaterials with target mechanical, acoustic, thermal, and electromagnetic properties.
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