Geometric Mechanics of Cellular Origami Assemblages

细胞折纸组合的几何力学

基本信息

  • 批准号:
    1538830
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 46.54万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-09-01 至 2019-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Origami inspired structures can have applications ranging in scale from man-made materials and micro-robotics to deployable solar arrays and building facades. These systems can be created by creasing a thin sheet or connecting thin panels with flexible hinges. Origami appeals for practical applications because it can be stowed compactly and it can be deployed into a transformable moving structure. Such deployable assemblages can drastically enhance the characteristics and potential applications of the thin sheet system. Much remains unknown about these configurations. The overarching goal of this research is to create mathematical models and physical prototypes that capture the behavior (both linear and nonlinear, including instability) of thin sheets, and to use these to explore the mechanics of tubular and cellular origami assemblages. This translational research will provide a new paradigm for using thin sheet assemblages in engineering through the integration of active materials, design theory, mathematics (geometric origami), and artistic expression. These systems may provide solutions for space exploration (e.g. deployable structures), robotics (e.g. robotic arms), medicine (e.g. stents), and other fields of study. The interdisciplinary approach will help broaden participation of underrepresented groups in research and positively impact engineering education by using origami as a means to integrate knowledge in different disciplines. The computer codes and geometric origami variations will be distributed in open-source platforms, greatly extending the practical applications of origami.The intellectual merit of this research lies in understanding origami assemblages for their geometric variations and elastic properties, nonlinear mechanics, and instabilities including bistable-multistable configurations. The research will explore geometric variations of rigid foldable origami tubes and assemblages, create analytical models to simulate nonlinearities in thin sheet origami systems, and capture instability in transformable/reconfigurable origami structures. It will study novel origami assemblages such as those with curved profiles, polygonal cross-sections (N-gons), or multiple tubes coupled together. The research will generalize the geometric definitions for different assemblages, and study the kinematics, eigen-mode deformations, and material behavior of each system. Because thin sheet assemblages are useful beyond the assumptions of small displacements, the research will explore large displacements and the associated nonlinear behavior of origami. New computer models will be established, which can capture various nonlinearities associated with the thin sheet systems. A unified iterative scheme will be used to study origami that demonstrates either near-zero or negative stiffness. The energy states of these instabilities will inform practical applications of the transformable origami. The mechanical properties will be useful to scientist and engineers when using thin sheet origami systems of varying scales.
受折纸启发的结构可以具有规模的应用程序,从人造材料和微型机器人到可部署的太阳阵列和建筑物外墙。这些系统可以通过将薄纸或柔软的铰链连接薄板或连接薄面板来创建。折纸可吸引实际应用,因为它可以紧凑地存放,并且可以将其部署到可转换的移动结构中。这种可部署的组合可以大大增强薄纸系统的特征和潜在应用。这些配置仍然未知。 这项研究的总体目标是创建薄纸的数学模型和物理原型,以捕获薄纸的行为(线性和非线性,包括不稳定性),并使用它们来探索管状和细胞折纸组合的机制。这项翻译研究将通过整合活动材料,设计理论,数学(几何折纸)和艺术表达来提供一种新的范式,用于在工程中使用薄纸组合。这些系统可以提供空间探索的解决方案(例如可部署结构),机器人技术(例如机器人臂),医学(例如支架)和其他研究领域。跨学科的方法将有助于扩大代表性不足的群体在研究中的参与,并通过使用折纸作为整合不同学科知识的手段来积极影响工程教育。计算机代码和几何折纸变化将分布在开源平台中,极大地扩展了折纸的实际应用。这项研究的智力优点在于了解其几何变化和弹性特性,非线性机制以及包括亲子型成型配置在内的几何变化和弹性属性的折纸组合。该研究将探索刚性可折叠折纸管和组合的几何变化,创建分析模型以模拟薄纸折纸系统中的非线性,并捕获可转换/可重构折纸结构中的不稳定性。它将研究新颖的折纸组合,例如具有弯曲曲线,多边形横截面(N-GON)的折纸组合或耦合在一起的多个管。该研究将概括不同组合的几何定义,并研究每个系统的运动学,特征模式变形和物质行为。由于薄板组合超出了小位移的假设,因此研究将探索大型位移和折纸的相关非线性行为。将建立新的计算机模型,该模型可以捕获与薄板系统相关的各种非线性。统一的迭代方案将用于研究折纸,该折纸表现出接近零或负刚度。这些不稳定性的能量状态将为可转换折纸的实际应用提供信息。当使用不同尺度的薄纸折纸系统时,机械性能将对科学家和工程师有用。

项目成果

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