EFRI-ODISSEI: Multi-field Responsive Origami Structures - Advancing the Emerging Frontier of Active Compliant Mechanisms

EFRI-ODISSEI:多领域响应式折纸结构 - 推进主动顺从机制的新兴前沿

基本信息

  • 批准号:
    1240459
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 200万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-08-01 至 2017-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The research objective of this Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI) Origami Design for the Integration of Self-Assembling Systems for Engineering Innovation (ODISSEI) award is to develop methods to design origami structures that actively fold from an initially flat sheet to complex three-dimensional shapes in response to multiple fields (e.g., electric, thermal, magnetic). They will also actively unfold, in contrast to current origami structures that must be manually unfolded. These multi-field responsive origami shapes will be developed through collaboration with a visual artist and approximated and modeled using geometric modeling and origami mathematics. The artistically inspired shapes will provide targets for designing novel active compliant mechanisms, which along with predictive multi-scale modeling and multi-physics simulations, will guide the development of new active materials. This new class of multi-field responsive materials includes micro- and nano-enabled hybrids where a graded distribution of particles enables coupling between multiple external fields to allow selective folding and unfolding along creases. A design optimization framework will be developed to integrate the modeling, design, and active materials efforts and enable system trade studies from the nano to the macro scale. Successful completion of this project will foster novel concepts and design innovation in several application areas. For example, origami-based surgical instruments will benefit minimally invasive surgery, where there is a need for mm-scale devices that can deploy inside the body to manipulate tissue. Similarly, origami-based adaptive aircraft structures, reconfigurable robots, and deployable space structures will help enhance mission versatility. A summer student exchange program and multi-university capstone design projects among Penn State, Rowan, and George Mason will help broaden participation of under-represented groups in engineering and STEM majors. The research will also be leveraged to create interactive artistic pieces and K-12-targeted workshops for the Discovery Space Museum in State College, PA and Penn State's Palmer Museum of Art.
该研究与创新新兴前沿 (EFRI) 工程创新自组装系统集成折纸设计 (ODISSEI) 奖项的研究目标是开发设计折纸结构的方法,使折纸结构能够从最初的平板主动折叠到复杂的三层结构。响应多个场(例如电、热、磁)的维度形状。与当前必须手动展开的折纸结构相比,它们还将主动展开。这些多领域响应折纸形状将通过与视觉艺术家合作开发,并使用几何建模和折纸数学进行近似和建模。受艺术启发的形状将为设计新颖的主动顺应机制提供目标,该机制与预测性多尺度建模和多物理场模拟一起,将指导新型活性材料的开发。 这种新型多场响应材料包括微米和纳米混合材料,其中颗粒的分级分布能够实现多个外部场之间的耦合,从而允许沿着折痕选择性折叠和展开。将开发一个设计优化框架,以整合建模、设计和活性材料工作,并实现从纳米到宏观尺度的系统权衡研究。 该项目的成功完成将促进多个应用领域的新颖概念和设计创新。 例如,基于折纸的手术器械将有利于微创手术,其中需要可以部署在体内以操纵组织的毫米级设备。 同样,基于折纸的自适应飞机结构、可重构机器人和可部署空间结构将有助于增强任务的多功能性。 宾夕法尼亚州立大学、罗文大学和乔治梅森大学之间的暑期学生交换计划和多所大学顶点设计项目将有助于扩大工程和 STEM 专业中代表性不足群体的参与。 该研究还将用于为宾夕法尼亚州州立学院的探索太空博物馆和宾夕法尼亚州立大学帕尔默艺术博物馆创作互动艺术作品和针对 K-12 的研讨会。

项目成果

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