CAREER: Leveraging the Three-Dimensional Multi-Stability from Origami Folding to Synthesize Multi-Functional Material Systems
职业:利用折纸折叠的三维多稳定性来合成多功能材料系统
基本信息
- 批准号:1751449
- 负责人:
- 金额:$ 50万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2018
- 资助国家:美国
- 起止时间:2018-05-01 至 2022-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
This Faculty Early Career Development Program (CAREER) award supports fundamental research to derive a novel approach to harness three-dimensional multi-stability induced by origami folding for engineering multi-functional material systems. These material systems can potentially bear mechanical loads but also perform other duties. The research aims at transforming the ancient art of origami into a theoretical framework for designing multi-functional materials. It is envisioned that these multi-functional origami materials can significantly advance the performance and sustainability of many strategic applications like morphing airframes, adaptive wind turbines, energy harvesters, and medical devices. Origami folding - due to its seemingly infinite capabilities of developing 3D geometries from 2D sheets - is becoming an increasingly popular subject among mathematicians, educators, architects, and engineers. However, we are still scratching the surface of its potential. The research will formulate a systematic method: analysis, design, and experiment, to fully uncover the physics underpinning the 3D multi-stability from folding. Such physical insights will be exploited to create linkages to translate these stability properties into unprecedented material functions, such as on-demand property programming, static diode effects, and motion rectification. Research results will also be leveraged to enhance origami as an engaging teaching tool through the creation of a book of origami folding exercises for teaching engineering. The research will also lead to a Creative Inquiry project for undergraduates, in collaboration with the Clemson Engineers for Developing Countries program, on the design of origami emergency shelters in Haiti. This project will produce educational tools that are specifically designed to be adopted by other educators to train high-quality researchers and engineers as well as to motivate K-12 students to pursue undergraduate and graduate STEM study. The research outcomes of this project will enable new low-cost material systems to adaptively protect infrastructure systems from natural and man-made disasters and to increase the collection of energy from renewable sources.Multi-stability has been used to create many multi-functional materials and structures for shape reconfiguration, property adaptation, vibration control, and energy harvesting. However, current systems are built upon low dimensional mechanisms such as the buckled beams, the simplicity of which severely limits their overall potential. This CAREER award aims to leverage the mechanics of origami folding to advance the study of multi-stable systems into the fundamentally three-dimensional domain. The sophisticated shape transformations via folding can impart novel stability properties that are unavailable in the lower dimensional mechanisms, including the anisotropic arrangement of stable and unstable states, asymmetric energy barrier between stable states, and the use of pressurization to eliminate or create stable equilibria. This project will formulate nonlinear mechanics analysis, experiment validation, and crease design methodologies to harness these stability properties and synthesize architected multi-functional material systems. This project, if successful, will create a new field of three-dimensional multi-stability, including a high-fidelity mechanics modeling process.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
这项教师早期职业发展计划(职业)奖支持基本研究,以获取一种新颖的方法,用于利用折纸折叠引起的三维多稳定性,用于工程多功能材料系统。 这些材料系统可能会承担机械载荷,但也可以履行其他职责。 该研究旨在将折纸的古老艺术转变为设计多功能材料的理论框架。 可以预见的是,这些多功能折纸材料可以显着提高许多战略应用的性能和可持续性,例如变形飞机,适应性风力涡轮机,能源收割机和医疗设备。 折纸折叠 - 由于其似乎无限的能力从2D纸中开发3D几何形状 - 在数学家,教育工作者,建筑师和工程师中越来越受欢迎。 但是,我们仍在刮擦其潜力的表面。 该研究将制定一种系统的方法:分析,设计和实验,以完全揭示3D多稳定性折叠的物理学。 这种物理见解将被利用以创建链接,以将这些稳定性属性转化为前所未有的材料功能,例如按需属性编程,静态二极管效应和运动整流。 研究结果还将通过创建折纸折叠练习的教学工程学书籍,以增强折纸作为一种引人入胜的教学工具。这项研究还将导致在海地的折纸紧急庇护所设计的克莱姆森工程师计划,与克莱姆森工程师计划合作,为本科生提供创意的探究项目。该项目将生产教育工具,这些工具专门设计为其他教育者采用的教育工具,以培训高质量的研究人员和工程师,并激励K-12学生攻读本科和研究生STEM研究。该项目的研究结果将使新的低成本材料系统能够自适应保护基础设施系统免受自然和人为灾难的侵害,并增加可再生能源的能量收集。多数稳定性已用于创建许多多功能材料和结构,以形成重新配置,财产适应,纤维化控制,以及能量控制和能量收获。 但是,当前的系统建立在低维机制(例如弯曲光束)之上,其简单性严重限制了它们的整体潜力。 该职业奖旨在利用折纸折叠的机制,将多稳定系统的研究推向了从根本上的三维领域。通过折叠的复杂形状转换可以赋予较低维度机制中无法获得的新型稳定性,包括稳定和不稳定状态的各向异性排列,稳定状态之间的不对称能量屏障,以及使用压力的使用来消除或产生稳定的平衡。 该项目将制定非线性力学分析,实验验证和折痕设计方法,以利用这些稳定性,并综合构建的多功能材料系统。 如果成功的话,该项目将创建一个三维多稳定性的新领域,包括高保真力学建模过程。该奖项反映了NSF的法定任务,并认为使用基金会的知识分子和更广泛的影响评估标准,认为值得通过评估来获得支持。
项目成果
期刊论文数量(21)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Peristaltic locomotion without digital controllers: Exploiting multi-stability in origami to coordinate robotic motion
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- 期刊:
- 影响因子:4.7
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- 影响因子:0
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- 发表时间:2019
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- 影响因子:0
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- 通讯作者:Li, Suyi
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- 影响因子:4.1
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- 影响因子:0
- 作者:Kaufmann, Joshua;Li, Suyi
- 通讯作者:Li, Suyi
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