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Tensegrity‐Inspired Pre‐Stress Control for Programmable Multistability and Stiffness in Mechanical Metamaterials

多稳态 张拉整体 材料科学 超材料 刚度 压力(语言学) 仿生学 复合材料 软机器人 结构工程 纳米技术 执行机构 光电子学 计算机科学 工程类 人工智能 物理 非线性系统 哲学 量子力学 语言学
作者
Zhenyu Wang,Meiling Zhang,Ran Zhang,Jianwei Sun,Jinkui Chu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/adfm.202420892
摘要

Abstract Mechanical metamaterials have considerable application potential, but are often limited to single applications owing to material and manufacturing constraints. To achieve a “single structure, multiple applications” goal, this study presents a multifunctional metamaterial structure. The metamaterial cells gain significant deformation and recovery abilities by incorporating the concept of a tensegrity structure to balance flexibility and rigidity and using a rigid‐flexible fabrication process. Inspired by cat‐tongue barbs and Hooke's law, an innovative pre‐stress programming structure is designed for integrated fabrication, enabling multilevel pre‐stress control for each cell. This programmable stress allows the twin‐cell array to transition in situ from monostable to bistable states and provides multilevel critical‐force functions for bistable states. After assembling a nine‐cell array, the structure offers a wide range of adjustable stiffness levels, enabling soft‐rigid transitions and varied force‐displacement responses without the need for additional tools. It also allows controlled collapse ratios and deformation through stiffness control. Additionally, the nine‐cell array features isotropy with a Poisson ratio of v = −1 and clear indentation resistance. This approach is promising for applications such as adjustable energy dissipators, automotive equipment, and passive safety. Metamaterial cells produced via integrated fabrication gain an adjustable pre‐stress by incorporating the tensegrity concept. Using barb‐shaped locking structures to adjust the elastomer length ( x n ). Modulating the pre‐stress of adjacent cells achieves in situ multistability and critical‐force adjustability. The controllable stiffness of the nine‐cell array provides indentation resistance, a variable force‐displacement response, adjustable stiffness, and controllable deformation.

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