CAREER: Mechanics of Kirigami-based Reconfigurable Structures

职业:基于剪纸的可重构结构的力学

基本信息

  • 批准号:
    2005374
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 48.36万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-01 至 2025-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This Faculty Early Career Development Program (CAREER) award will support fundamental research on the mechanical behavior of kirigami-based reconfigurable two dimensional (2D) and three dimensional (3D) structures. Very recently, kirigami, the ancient paper cutting art, has inspired emerging scientific research and engineering innovations, ranging from mechanical metamaterials, stretchable devices, and solar tracking, to self-assembled 3D meso-structures. However, it largely lacks the fundamental understanding of cut-structures determined macroscopic mechanical response of kirigami structures. This research program will establish a theoretical framework for connecting the macroscopic mechanical behavior and cuts-based microstructures in a new class of kirigami-based structures, which are reconfigurable in both 2D and 3D. The knowledge developed through this project will advance multiple technologies, including scaffolds for conformable and stretchable electronics, electronic skin, adaptive energy efficient building envelope, programmable soft machines, soft robots, and reconfigurable acoustic wave guides. The education and outreach objectives will align with the research goal in generating better understanding of mechanics and structure-determined properties and functionalities in kirigami structures. Programs at Temple and museums in Philadelphia will be used to broaden the participation of K-12 in STEM, including Women's Engineering Exploration summer program and STEM education department at Temple, as well as Science museum displays (Franklin Institute) and Art show (Philadelphia Museum of Art) in Philadelphia. Kirigami-based 2D/3D structures will be constructed by applying designed cuts and/or folds to both planar sheets and bulk materials for actuation under forces or external stimuli. Systematic theoretical framework will be developed to predict the kinematics and constitutive modeling of 2D and 3D kirigami structures, with validation by numerical simulation, fabrication, and experimental testing. For 2D structures, a unified design of patterned cuts will account for both symmetric and non-symmetric deformation. The quantitative relationship between the overall mechanical properties and the geometry of localized cut structures will be determined through developed homogenization continuum model. 3D reconfigurable kirigami structures will be constructed from either (self-) folding of kirigami sheets or assembly of 3D cut polyhedron units as fundamental building blocks for architected structures. For 3D architected kirigami structures, their reconfigurability and mechanical properties will be determined by the deformation modes in localized 3D cut units. A theoretical framework will be developed to predict the overall deformation modes through mode analysis under both small and finite deformation.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.
该教师早期职业发展计划(CAREER)奖将支持基于剪纸的可重构二维(2D)和三维(3D)结构的机械行为的基础研究。最近,剪纸这种古老的剪纸艺术激发了新兴的科学研究和工程创新,从机械超材料、可拉伸装置和太阳跟踪到自组装 3D 细观结构。然而,它在很大程度上缺乏对切割结构决定的剪纸结构宏观力学响应的基本理解。该研究项目将建立一个理论框架,用于连接新型剪纸结构中的宏观机械行为和基于切割的微观结构,这些结构在 2D 和 3D 中均可重新配置。通过该项目开发的知识将推动多种技术的发展,包括用于舒适和可拉伸电子产品的支架、电子皮肤、自适应节能建筑围护结构、可编程软机器、软机器人和可重构声波导。教育和推广目标将与研究目标保持一致,即更好地理解剪纸结构中的力学和结构决定的特性和功能。天普大学和费城博物馆的项目将用于扩大 K-12 对 STEM 的参与,包括天普大学的女性工程探索暑期项目和 STEM 教育部门,以及科学博物馆展览(富兰克林研究所)和艺术展(费城博物馆)艺术)在费城。 基于剪纸的 2D/3D 结构将通过对平面板材和散装材料应用设计的切割和/或折叠来构建,以便在力或外部刺激下驱动。将开发系统的理论框架来预测 2D 和 3D 剪纸结构的运动学和本构模型,并通过数值模拟、制造和实验测试进行验证。对于二维结构,图案切割的统一设计将考虑对称和非对称变形。整体机械性能与局部切割结构几何形状之间的定量关系将通过开发的均质化连续体模型来确定。 3D 可重构剪纸结构将由(自)折叠剪纸片或 3D 切割多面体单元组装而成,作为建筑结构的基本构建块。对于 3D 剪纸结构,其可重构性和机械性能将由局部 3D 切割单元中的变形模式决定。将开发一个理论框架,通过小变形和有限变形下的模式分析来预测整体变形模式。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Shape-morphing materials and structures for energy-efficient building envelopes
用于节能建筑围护结构的变形材料和结构
  • DOI:
    10.1016/j.mtener.2021.100874
  • 发表时间:
    2021-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.3
  • 作者:
    Li, Yanbin;Zhao, Yao;Chi, Yinding;Hong, Yaoye;Yin, Jie
  • 通讯作者:
    Yin, Jie
Physically intelligent autonomous soft robotic maze escaper
  • DOI:
    10.1126/sciadv.adi3254
  • 发表时间:
    2023-09-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    13.6
  • 作者:
    Yao Zhao;Yaoye Hong;Yanbin Li;Fangjie Qi;Haitao Qing;Hao Su;Jie Yin
  • 通讯作者:
    Jie Yin
Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots
利用弹性不稳定性来增强性能:受脊柱启发的高速高力软机器人
  • DOI:
    10.1126/sciadv.aaz6912
  • 发表时间:
    2020-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    13.6
  • 作者:
    Tang, Yichao;Chi, Yinding;Sun, Jiefeng;Huang, Tzu;Maghsoudi, Omid H.;Spence, Andrew;Zhao, Jianguo;Su, Hao;Yin, Jie
  • 通讯作者:
    Yin, Jie
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Leveraging Monostable and Bistable Pre‐Curved Bilayer Actuators for High‐Performance Multitask Soft Robots
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  • DOI:
    10.1002/admt.202000370
  • 发表时间:
    2020-06-30
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.8
  • 作者:
    Yinding Chi;Yichao Tang;Haijun Liu;Jie Yin
  • 通讯作者:
    Jie Yin
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  • 发表时间:
    2021-09-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Mengsha Wei;P. Zhou;Liping Huang;Jie Yin;Qin Li;Chong Dai;Jianping Wang;L. Gu;Qingyi Tong;Hucheng Zhu;Yonghui Zhang
  • 通讯作者:
    Yonghui Zhang

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