2021年3月杂志俱乐部:Kirigami超材料作为一种机器人物质

2021年3月杂志俱乐部:Kirigami超材料作为一种机器人物质

Ahmad Rafsanjani，南丹麦大学SDU生物机器人软机器人中心

日本剪纸艺术Kirigami在研究人员中引发了巨大的活动，导致了具有新功能的材料和结构的发展。制造的简单性和设计的多功能性吸引了来自不同学科的研究人员，他们利用切割的力量来创造出与众不同的柔性设备和机器人。采用kirigami设计原则的一长串技术超出了可伸缩电子[1]和电池[2]，生物医学设备[3]，光子学[4]，艺术保护[5]，以及这里特别感兴趣的软机器人[6-10]。从某种意义上说，kirigami是一个机器人问题，通过精心放置的切口，将新功能直接编程到材料结构中。考虑到以某种方式采用基里伽美超材料的研究人员的多学科性质，很自然地，在术语的选择或定义什么是基里伽美超材料方面没有达成共识。为了这个杂志俱乐部，我主要关注满足以下几个要求的系统:

kirigami超材料是一种扁平的弹性薄片，或薄或厚，上面有一系列图案切割而不去除任何材料。

实际上，如果我们用刀切割板材，我们不会去除任何材料，但如果我们使用激光切割机，我们会燃烧/熔化一小部分材料。在单轴拉伸下，变形集中在分离相邻切口的铰链周围，并依赖于的切割几何和的铰链宽度与纸张厚度之比，突发行为就会出现。在下文中，我们可能会放宽上述限制之一或添加新的限制，以引入可能导致新功能的突变。

平面基利伽米超材料当前位置旋转方形(以及它们的姐妹结构旋转三角形)推动了机械超材料研究三十年，并且对它们的兴趣仍然没有显示出衰减的迹象。为了通过切割来创建旋转正方形，我们需要在厚弹性板上引入一系列正交的线性切割。在张力作用下，旋转方块表现出有效泊松比为-1的形变行为。理论上，铰链可以理想化为零能量旋转机构，结构在41%应变下均匀变形。在实践中，有限铰链在平面内弯曲，甚至可能轻微拉伸并在去除负载后恢复未变形的结构。为了扩大平面基里ami超材料的设计空间和增强其功能，提出了几种方法:

-分形的削减如果切割将单元胞划分为自相似的域，我们可以继续切割每个新域，以创建分层的基里伽米超材料。Cho等人在材料中引入了基于旋转方形和三角形单元的分层切割模式，以产生极大的应变和形状变化[12]。Tang和Yin扩展了这一方法，并表明使用矩形单元代替方形单元可以显著提高所得结构的可拉伸性[13]。

-对称旋转方块的切割图案本质上是一堆有规则地放置在方形网格上的线，这些线彼此分开，形成小间隙，以保持结构的连通性。我们可以将此模板应用于其他网格类型和对称组，以创建旋转单元的新架构。Shan等人以对称为导向，将切口置入橡胶片中，创造出几乎各向同性负泊松比[14]的不同平面基里伽米结构。最近，Liu等人提出了一种系统的方法来创建基里格米超材料，通过墙纸群来识别基里格米图案与对称之间的联系，墙纸群是17个平面对称群的集合，它们完全表征了平面[15]的周期性平铺空间。

-几何图案平面弹性基里伽米超材料大多是单稳定的，如果我们去除载荷，它们仍保持不变的形态。我们能否将变形锁定在弹性机械超材料中，更具体地说，我们能否将弹性材料切割成双稳态或多稳态结构?受建筑几何图案的启发，我们发现了一种新的基于旋转正方形和三角形的切割图案，同时表现出辅助行为和多稳定性[16]。这种设计的出发点是在未变形和展开的结构之间的能量屏障。因此，与原来的旋转单元不同，具有零能量铰链的刚性机构不能代表该结构的运动学。我们最近表明，如果我们释放存储在双稳态增减片中的弹性能量，大振幅的过渡波就会在超材料中传播，而这种超材料可以通过局部引入的缺陷[17]来控制。

-逆设计直觉一直是设计机械超材料的主要动力，但很快我们可能会意识到，扩展它们的设计空间需要涉及计算机。Choi等人开发了一种逆向设计算法，该算法可以从规则旋转的正方形切割(以及其他切割模式，包括我们的双稳态auxetic结构)生成kirigami图案，从而实现从初始几何形状到目标形状[18]的形状转换。他们通过在四轴的边缘和对角线上设置线性弹簧，在节点铰链上设置简单的扭转弹簧，通过机械模型跟踪系统的能量学，探索了由此产生的kirigami模式的部署。这项工作的一个显著结果是，尽管周期性旋转正方形是单稳定的，但反设计的变形结构在足够薄的铰链上表现出双稳定性。

图1:平面kirigami超材料(图片取自[12,13,14,15,17])

弯曲诱导的基利伽米超材料让我们重新审视旋转的正方形，并研究用相互正交的正方形切割阵列穿孔的薄片的机械响应，这些薄片留下了一个由小韧带连接的正方形网络。与传统的旋转方块不同，我们发现在单轴拉伸下，韧带会弯曲出平面，形成三维图案，其形态受载荷方向[18]控制。这类材料不局限于相互正交的切割，为创造kirigami超材料提供了无数的机会，这些超材料不仅具有高度可拉伸性，而且它们的自组装3D表面可以实现新的功能。为了区别于主要在平面内变形的平面基里格米超材料，我们称之为“屈曲诱导基里格米”。它们变形的面外分量显著地改变了它们的行为。理论上，由于对称性和缺陷的存在，平面外弹窗不存在优先方向，这可能导致弹窗分布不均匀。此外，对于特定的切割模式，根据切割的间距和大小，不同的变形模式可能占主导地位。因此，近年来，从对其丰富的非线性力学的基本理解到多功能材料和生物医学应用创新装置的开发，大量的研究从不同的角度致力于屈曲诱导基里伽米超材料。在下面，我简要介绍了几种屈曲诱导基里伽米超材料的设计，并展示了不同的变形机制，这些变形机制被编程到它们的材料结构中。

屈曲诱导基里伽米超材料的力学最简单的引起屈曲的基里伽米由垂直于加载方向的六边形排列的线性平行切口组成。通过简单地改变切口的间距，结构在拉伸时可以采用多种形状。Isobe和Okumura表明，具有线性切割的基里米超材料的拉伸响应包括三种变形模式b[20]。首先，初始响应是线性的，铰链在很小的施加变形下面内弯曲。其次，响应表现为突然偏离线性到一个大的高原区域，这是由面外变形引起的。最后，当施加的变形足够大时，力再次上升，铰链的变形机制由弯曲变为拉伸。这种变形行为类似于轻交联弹性体的软化和随后的应力诱导结晶度。因此,buckling-induced剪纸艺术有可能把几乎所有的刚性材料转变成一个软物质。值得注意的是，几乎所有引起屈曲的kirigami超材料都具有相同的变形行为，这使得它们成为设计可编程材料的强大平台，无论切割的具体形状如何，都具有可预测的响应。线性切割的简单性吸引了力学家进一步研究其相当丰富的局部力学，并将其与基里伽米超材料的整体万博体育平台行为联系起来。 Dias et al. studied the connections between this kirigami pattern and the mechanics of a single, non-propagating crack in a sheet [21]. Yang et al. proposed e-cone or excess angle cone as the most fundamental geometric building block of buckling-induced kirigami metamaterials with linear cut and investigated the dependence of the variation in buckling configurations on geometric parameters of the cuts [22]. Recently, Sadik and Dias used a reduced two-dimensional plate model of a circular thin disk with a radial slit and unraveled its deformation map following the opening of the slit and the rotation of its lips [23].

屈曲诱导基利伽米超材料的编程通过利用屈曲诱导基里伽米超材料的行为，各种新的功能已经被编程到材料结构中。

-剪纸艺术展示一项研究表明，在薄弹性薄片中引入分层切割模式会触发各种不同的屈曲诱导的3D变形模式，并且该分层可以用于编程表面[24]的应力-应变响应。他们组装了不同的单元细胞，这些单元细胞表现出截然不同的3D变形，但类似的力-位移，在基里伽米薄片中编码视觉信息，这些信息可以在张力下显示出来。

-弹出式传播我们将切割和曲率结合在一起，创造出了kirigami壳，令我们惊讶的是，它呈现出了一种传播的弹出行为[25]。我们发现，切割和曲率的相互作用导致弯曲铰链的局部反转，产生与两相共存的相变材料相似的非单调响应。从某种意义上说，对于特定的几何参数，kirigami壳的行为就像聚会气球中膨胀物在恒压下传播的方式[26,27]。弹窗的传播在不同的切割模式中是普遍的，我们证明了它可以在三角形，线性和正交的切割模式中实现。

-编程刚度: Yang等人利用基于线性切割的基里伽米超材料的后屈曲特性，对基里伽米片材的刚度进行了编程现场[23]。他们发现，如果一个单元胞的屈曲后结构是对称的，它可以在对称和反对称结构之间可逆地切换。他们展示了通过局部可逆切换单个单元细胞来精确控制材料刚度。Kirigami也用于安装单叶羊皮纸和牛皮纸物品，以供博物馆展示和储存。由于动物皮肤的性质，羊皮纸和牛皮纸具有强烈的吸湿性，即使在很短的时间内，也容易在所有维度上发生不均匀的形状变化。基里伽米的灵活性允许大小的变化，而施加的力在高原地区的大范围内几乎保持不变。

-Kirigami用于摩擦控制和运动铰链同步屈曲产生的3D纹理表面形态可以通过拉伸基里伽米板来调整，从而实现所需功能依赖于表面特性(如主动摩擦控制)的应用。受蛇的直线运动的启发，我们将具有不对称切割图案的kirigami皮肤的变形与简单的软扩展驱动器的变形耦合在一起，从而为软爬行机器人的运动产生推进力。切口几何上的不对称导致了可调的摩擦各向异性，当它以循环方式激活时，爬行器可以向前移动。Liu等人将该方法扩展到软蚯蚓机器人，用于粘性土壤下的锚定和移动[28]，Branyan等人将其应用于蛇形机器人，用于横向波动[29]。最近，我们应用了一个类似的概念，通过在鞋的外底附着金属基里伽米表面来开发鞋握把。穿着者的脚弯曲会激活弹窗，增加与地面的摩擦，从而降低在冰面等光滑表面摔倒的风险，尤其是老年人。

图2:屈曲诱导的kirigami超材料(图片取自[5,7,19,23,24,25,30])

结束语:Kirigami超材料作为机器人材料

机器人是一种能够感知、规划和行动的机器，而对于软机器人来说，具有兼容性是一个额外的要求。Kirigami超材料为软体机器人的身体和皮肤注入了广泛的特性。虽然这篇短文中给出的例子主要强调了基里伽米超材料的编程机械变形，但在将基里伽米集成到多模态软传感器、刺激响应材料、新型软致动器和嵌入式逻辑运算方面也在不断取得进展。虽然释放kirigami超材料在软机器人中的全部潜力需要系统级开发和跨学科方法，但力学起着核心作用。最后，我邀请所有活跃在这一领域或对机械超材料和软机器人有普遍兴趣的研究人员分享他们对kirigami超材料力学的看法，或在评论部分强调他们在这一主题上的最新进展。我非常期待进行富有成果的讨论。

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