Collaborative Research: Using Boundaries to Create and Control Pathways for Photomechanical Actuation

合作研究:利用边界创建和控制光机械驱动路径

基本信息

  • 批准号:
    1635407
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-08-01 至 2021-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This award supports fundamental research into new ways to hold and constrain liquid crystal elastomers that will cause thin sheets to change shape in discrete steps as the sheets are illuminated. Liquid crystal elastomers are a class of polymers that can be tailored to undergo changes in shape when they are illuminated with light, thereby enabling the direct conversion of light into directed mechanical work. An important advantage of using light is that wiring, circuitry, and mechanical contacts are not needed; devices made of these materials can be operated remotely. This property can enable applications in a range of technologies, including light-operated microsurgical tools, display technologies integrated with touch feedback, and robotics that harness light for manipulation. However, the mechanical force generated by these materials is small and the shape change during irradiation with light is difficult to control. The new shape change mechanisms will simultaneously generate fast response times and large forces during the transition between the shapes. Therefore, the results of this research can enable new device architectures and bring these materials closer to widespread application, thereby benefitting the US economy and society. Outreach to underrepresented K-12 students through local Pittsburgh organizations will also be integrated with the research program. Light-driven shape change observed in liquid crystal elastomers can enable a class of next-generation of remotely-driven actuators. This research will explore the interplay between the photomechanical adaptivity and localized constraints applied at the boundary. In particular, this interplay triggers a cascade of discrete transitions from a prior flat state into non-self-similar shapes. Integrated experiments and modeling will be used to understand the interactions between microstructural heterogeneity, boundary conditions, material anisotropy and photostrains on the emergent multimorphism and actuation. The resulting core contribution to mechanics will be the deeper fundamental understanding of the interplay between instabilities and boundary conditions in two-dimensional objects with complex curvature and heterogeneity, using shell and membrane theories from mechanics. The research tasks include synthesis of thin-film specimens, characterization of light-induced mechanical deformation, development of mathematical models, and numerical and analytical analysis of the models. The feedback between experiment and theory will enable the formulation of predictive and accurate models, as well as provide physics-based guidance to the experiments.
该奖项支持对固定和约束液晶弹性体的新方法的基础研究,这些方法将导致薄片在被照射时以离散的步骤改变形状。 液晶弹性体是一类聚合物,可以在光照射下发生形状变化,从而能够将光直接转换为定向机械功。使用光的一个重要优点是不需要布线、电路和机械接触;由这些材料制成的设备可以远程操作。 这种特性可以实现一系列技术的应用,包括光操作显微手术工具、与触摸反馈集成的显示技术以及利用光进行操纵的机器人技术。 然而,这些材料产生的机械力很小,并且在光照射期间的形状变化难以控制。新的形状变化机制将在形状之间的转变过程中同时产生快速的响应时间和巨大的力。 因此,这项研究成果可以实现新的器件架构,并使这些材料更接近广泛应用,从而造福美国经济和社会。通过匹兹堡当地组织向代表性不足的 K-12 学生进行的外展活动也将纳入该研究计划。在液晶弹性体中观察到的光驱动形状变化可以实现一类下一代远程驱动执行器。 本研究将探讨光机械适应性与边界应用的局部约束之间的相互作用。 特别是,这种相互作用触发了从先前的平坦状态到非自相似形状的一系列离散转变。综合实验和建模将用于了解微观结构异质性、边界条件、材料各向异性和光应变之间的相互作用对出现的多态性和驱动。 由此产生的对力学的核心贡献将是利用力学中的壳和膜理论,对具有复杂曲率和异质性的二维物体中不稳定性和边界条件之间的相互作用有更深入的基本理解。 研究任务包括薄膜样本的合成、光致机械变形的表征、数学模型的开发以及模型的数值和分析分析。 实验和理论之间的反馈将有助于制定预测性的准确模型,并为实验提供基于物理的指导。

项目成果

期刊论文数量(23)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Phase-field finite deformation fracture with an effective energy for regularized crack face contact
具有规则化裂纹面接触有效能量的相场有限变形断裂
Nonlinear statistical mechanics drives intrinsic electrostriction and volumetric torque in polymer networks
非线性统计力学驱动聚合物网络中的固有电致伸缩和体积扭矩
  • DOI:
    10.1103/physreve.103.042504
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Grasinger, Matthew;Majidi, Carmel;Dayal, Kaushik
  • 通讯作者:
    Dayal, Kaushik
Disclinations without gradients: A nonlocal model for topological defects in liquid crystals
无梯度向错:液晶拓扑缺陷的非局域模型
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2018-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    de Macedo, Robert Buarque;Pourmatin, Hossein;Breitzman, Timothy;Dayal, Kaushik
  • 通讯作者:
    Dayal, Kaushik
Surface Growth in Deformable Solids using an Eulerian Formulation
使用欧拉公式在可变形固体中进行表面生长
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  • DOI:
    10.1177/10812865211055504
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Shrivastava, Ankit;Liu, Jingxiao;Dayal, Kaushik;Noh, Hae Young
  • 通讯作者:
    Noh, Hae Young
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  • 通讯作者:
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  • 通讯作者:
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