Methoden zur numerischen Simulation gestrickter morphfähiger Strukturen: Knitmorphs

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 6630 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Das Formänderungsverhalten findet in vielen Bereichen Anwendung, beispielsweise in der Soft-Robotik, Aktuatoren und Sensoren, Solarzellen, dichten Verpackungen, flexibler Elektronik und Biomedizin. Der gebräuchlichste Ansatz zur Erzielung formverändernder Strukturen sind Formgedächtnislegierungen oder Hydrogele. Diese beiden Materialien unterliegen unterschiedlichen Belastungen, die eine Vielzahl von Formen erzeugen. In dieser Arbeit demonstrieren wir das neuartige Konzept, dass 2D-Strickstoffe, die aus Garnen aus unterschiedlichen Materialien bestehen, in verschiedene dreidimensionale Formen gebracht werden können und so eine Brücke zwischen traditionellem Stricken und formverändernden Strukturen bilden. Dieses Konzept wird als Knitmorphs bezeichnet. Unsere rechnerische Analyse dient als Machbarkeitsnachweis und zeigt, dass sich gestrickte Muster aus unterschiedlichen Materialien bei thermischer Belastung in komplexe Formen wie einen Sattel, eine achsensymmetrische Tasse und eine Platte mit Wellen verwandeln. Mit CAD-Paketen entwickelte zweidimensionale kreisförmige Modelle von Ebene und Rippe werden in die Finite-Elemente-Analysesoftware Abaqus importiert, anschließend zu Drähten weiterverarbeitet und Fasermaterialeigenschaften mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Steifigkeit zugewiesen. Wir schlagen auch potenzielle Anwendungen für das Konzept programmierbarer Strickwaren für die Entwicklung von Robotern vor, die auf quallenähnlicher Fortbewegung basieren, und komplexer Strukturen, die den Rotorblättern von Windkraftanlagen ähneln. Dieses neuartige Konzept soll ein neues Designfeld bei der Betrachtung wandelbarer Strukturen eröffnen.

Die Funktion einer Struktur ist an ihre Form gebunden. Zu den Vorteilen der Formveränderung gehört die Erfassung beider Merkmale von einer unverformten Form bis hin zur deformierten Struktur. Durch die Formveränderung werden die Einschränkungen einer festen Form aufgehoben, was eine maßgeschneiderte, strukturbasierte Leistung bei Bedarf ermöglicht1. Dieses Verhalten wurde für komplexe Bewegungen ausgenutzt, wie z. B. die Fortbewegung weicher Roboter im Mikromaßstab, die Erfassung und Freisetzung von Ladung2, flexible Elektronik3 und in der Biomedizin, um eine höhere Insulinausbeute und Zelllebensfähigkeit zu erreichen4. In dieser Studie zeigen wir rechnerisch, dass sich Gestricke unter thermischer Belastung in komplexe geometrische Formen verformen können. Möglich wird dies durch die anisotropen Eigenschaften von Garnmaterialien5, so dass eine strategische räumliche Anordnung auf Basis der thermischen Ausdehnungskoeffizienten die Gestaltung komplexer Verformungen ermöglicht.

Frühere Studien zur Formveränderung haben den Ansatz gewählt, der aus einer Doppelschichtstruktur (Abb. 1a) besteht, die aus Hydrogelen oder Polymerfolien entwickelt wurde5, die eine großflächige Quellreaktion mit Reizen erfahren6, gefolgt von Studien, die die Einführung interner Compliance nutzen, um Morphing zu erreichen7,8,9, 10,11.

Terminologie für gestrickte Stoffe. (a) Doppelschicht-Morphing unter Einwirkung von Reizen, (b) Inspiration für unsere Arbeit. Nachdruck mit Genehmigung. Copyright Staci, (c) Schematische Darstellung der Maschen- und Maschenreihenrichtungen gestrickter Stoffe, (d) Mittelachse des in Abaqus verwendeten Garns, (e) Glattstrick besteht nur aus rechten Maschen (oder linken Maschen) auf einer Seite, (f) Ein Rippstrick besteht aus abwechselnden Reihen von rechten und linken Maschen.

Die Variation der internen Nachgiebigkeit wird durch den Materialübergang zwischen der Holz-Polymer-Verbunddoppelschicht und den aus gerichteter thermoplastischer Polyurethanschicht gedruckten Klappen erreicht12. Andere Arbeiten nutzen mechanische Architektur wie unbewegliche Gelenke und Drehpaare, um beim Erhitzen durch Biegen um das Gelenk komplexe Baugruppen zu erreichen13. Unsere Arbeit erreicht das Endziel der räumlichen Variation der Nachgiebigkeit durch Variation in der Garnarchitektur; nämlich die Änderungen des Garndurchmessers und der Garngeometrie, die den in früheren Studien gezeigten internen Variationen einer Scheibenform entsprechen. Darüber hinaus erreichen die simulierten Strickmuster in dieser Studie geometrische Formen wie die einer Turbinenschaufel, die relativ komplexer sind als die einfachen Scheiben oder planare Formen, die auf weiches, dünnes, plattenartiges Material beschränkt sind, das sich leicht verformen lässt5,14.

Beim Form-Morphing wird die Krümmung der Oberfläche verändert, die durch den Gauß-Egregium-Satz15 definiert wird. Nach dem Satz können die Hauptkrümmungen an jedem Punkt einer Oberfläche durch die Krümmungen k1 und k2 definiert werden, die in orthogonalen Ebenen liegen. Das Produkt dieser Krümmungen einer zunächst flachen Oberfläche ist Null und bleibt unverändert, ohne dass sich die Oberfläche in irgendeine Richtung dehnt. Einfache Bewegungen wie das Biegen oder Rollen eines Papiers führen zu einer Krümmungsänderung nur in der Richtung, die eigentliche Krümmung bleibt jedoch unverändert; Eine häufige Alltagsanwendung ist das Falten von Pizza, um ein Überlaufen der Gitter zu verhindern, was einem k1- und k2-Produkt von Null16 entspricht (siehe ergänzende Abbildung 1). Ein Produkt ungleich Null kann durch Aktivitäten wie die komplexe Oberflächenumhüllung mit Vinylfolien dargestellt werden, die eine Dehnung mit sich bringt17 (siehe ergänzende Abbildung 2).

Differenzielle Dehnung gepaart mit Variationen in der 3D-mechanischen Architektur, die auch in der Natur vorkommen, bilden das Prinzip dieser Studie. Bei Pflanzen wird die Morphogenese hauptsächlich durch das unterschiedliche Wachstum von Geweben vorangetrieben, was zur Bildung komplexer 3D-Formen führt, die verschiedene Konfigurationen annehmen, wie z. B. eine Spirale und einen Sattel18. Das relative Wachstum zwischen den Geweben des Darms und dem daran befestigten Mesenterium treibt die Schleifenbildung an19, das Winden der Ranken erfolgt über Bei der asymmetrischen Kontraktion des Faserbandes schrumpft die ventrale Seite in Längsrichtung relativ zur dorsalen Seite aufgrund der unterschiedlichen Verholzung, die sich auf die Konzentration der Pflanzenzellhydratation auswirkt, wodurch das Faserband seine intrinsische Krümmung erhält20, und die Gyrifizierung im Gehirn entsteht als Folge einer einfachen Mechanik Instabilität, die durch die tangentiale Ausdehnung der grauen Substanz verursacht wird, die durch die weiße Substanz eingeschränkt wird21.

Der aktuelle Fokus auf die Veränderung von Strukturen kommt in verschiedenen Strategien zum Ausdruck; anisotropes Quellen von 3D-gedruckten, durch Scherung verursachten Mikrofibrillen, Baromorphe7, die schnelle pneumatische Betätigung nutzen, um entsprechend der Richtung des ausgeübten Drucks zwischen negativen und positiven Gaußschen Krümmungen umzuwandeln, und Aeromorphe22, die eine Formänderung durch Manipulation der Form von heißversiegelten Scharnieren mit Rautenmuster erreichen, die daraus hergestellt werden verschiedene Blätter, die sich bei pneumatischer Betätigung falten, Millimorphs23, die Millifluidikkammern nutzten, die mit niedrig siedender Flüssigkeit für schnelle Betätigungsschemata bei hoher Frequenz betätigt wurden, Thermomorphs24, die den Unterschied in der Restspannung von 3D-gedruckten thermoplastischen Doppelschichten nutzten, um beim Eintauchen in heißes Wasser eine Morphierung zu erreichen, Hygromorphe9,25 die auf die Umgebungsfeuchtigkeit reagieren, indem sie ihre Form ändern. Jedes dieser Geräte basiert auf einer funktionell einzigartigen Form bei der Betätigung und der Einführung von Metriken, um Gaußsche Formen zu erreichen. Obwohl diese konstruierten Formen bezaubernd sind, erfordert die Herstellung vieler dieser Designs Präzisionsdruck oder eine mühsame Steuerung mithilfe von Foto- oder Magnetreizen2 oder extrem hohen Spannungen, die durch dünne Elastomerplatten fließen, die Schicht für Schicht mit Kohlenstoff-Nanoröhren-Elektroden dazwischen hergestellt werden8,26; was eine breite Akzeptanz erschwert. Hier in dieser Studie stellen wir „Knitmorphs“ vor, eine Klasse von Morphing-Formen, die die grundlegende Struktur des Strickens nutzen, um Morphing zu erreichen. Dies steht im Gegensatz zu früheren Studien zu formverändernden Stoffen27, bei denen sie sich auf die anisotrope Natur aufgeblasener Stoffbahnen verlassen haben, die durch Nähte eingeschränkt werden. Das Formänderungsverhalten wurde in der Vergangenheit auch durch die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten durch die Verwendung von Doppelschichten in der Arbeit von Boley28 demonstriert. Obwohl die in ihrer Studie verwendeten zweischichtigen Strukturgitter gedrucktes Material verwenden, das bei Zugbelastung in der Kategorie der kleinen Dehnungen liegt, unterliegen sie insgesamt einer starken Kontraktion oder einem starken Wachstum. Das Verhalten ist analog zur Verformungsmechanik von Gestricken, die aufgrund der inhärenten Nachgiebigkeit der Struktur die Aufnahme großer Dehnungen ermöglichen, während die einzelnen Garne nur minimaler Dehnung unterliegen29. Knitmorphs sind eine relativ einfache Ergänzung der Shape-Morphing-Familie, die komplizierte Formen mit dem zusätzlichen Vorteil erreichen, dass sie porös oder eine nicht kontinuierliche Oberfläche sind; Dadurch wird ein Weg für den Einsatz in groß angelegten Herstellungsprozessen eröffnet.

In den letzten Jahren wurde für mehrere komplexe Probleme ein interdisziplinärer Ansatz gewählt, der sich an der Schnittstelle etablierter Wege von Wissenschaft und Kunst befindet, wie zum Beispiel Origami und Kirigami30. Stricken – eine Kunstform, die von anderen auch als uralte Technologie angesehen wird, könnte eine ähnlich unkonventionelle Möglichkeit wie Origami und Kirigami bieten, komplexe technische Herausforderungen zu lösen31. Hier in dieser Studie lassen wir uns von einem „Pi-Strick“ (Abb. 1b) inspirieren, der als Kunst klassifiziert werden kann. Gewirke weisen im Vergleich zu anderen Stoffen zwar eine geringere Festigkeit auf, weisen jedoch aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Knicken und Scherverformung eine hohe Drapierbarkeit auf32. Das Verständnis der Physik hinter Gestricken ist im Vergleich zur Mechanik anderer Herstellungsverfahren relativ begrenzt, obwohl sie bereits seit mehreren hundert Jahren im Einsatz sind. Diese Einschränkungen werden durch die Tatsache deutlich, dass erst neuere Studien ein genaueres Modell zur Verfolgung der Einheiten innerhalb der Stoffstruktur während der Verformung33 und Erläuterungen zum Legen von Garnen34 vorgelegt haben.

Zugtests an gestrickten Stoffen zeigen, dass die Dehnung einer J-förmigen Kurve folgt, wobei eine große Verformung ohne großen Anstieg der Belastung entsprechend der Biegung der Faser auftritt, obwohl es eine Variation zwischen der Maschenstäbchen- und Maschenreihenrichtung gibt (siehe Abb. 1c), wie oben gezeigt Studien35. Ab einer bestimmten Grenze kommt es zu einem Faserstau, der auf den einander berührenden Querschnitt der Fasern zurückzuführen ist, was zu einer erhöhten Gewebesteifigkeit führt35. Obwohl gestrickte Stoffe mehrere Variablen in der Modellierungshierarchie auf Struktur- und Materialebene umfassen36, haben wir in dieser Studie nur einige dieser Variablen ausgewählt; Dabei werden insbesondere Topologie, Garneigenschaften und Garn-Garn-Interaktion berücksichtigt.

Frühere Studien nutzten die gestrickte Architektur durch den Einsatz von Formgedächtnislegierungen, um formveränderndes Verhalten wie das Öffnen von Blütenblättern zu erzeugen37. Darüber hinaus wurde das Stricken als ein vierfaches hierarchisches Gerüst beschrieben und eine Vielzahl von Formen mithilfe von Formgedächtnismaterial realisiert, mit dem Ziel, neue komplexe Aktuatoren zu entwickeln38. In dieser Arbeit zeigen wir, dass eine kreisförmig gestrickte Scheibe, die aus Garnen unterschiedlicher Materialeigenschaften besteht, die durch benachbarte Einheiten geschlungen sind, sich in verschiedene Gaußsche Krümmungsprofile verwandeln kann. Das Verhalten steht im Gegensatz zum einzelnen Garn unter den gleichen Betätigungsbedingungen (wie im Zusatzfilm 1, 2 gezeigt).

Die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bildet das Rückgrat der Studie. Die ausgewählten Materialien hatten relativ hohe Werte für den thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionskoeffizienten sowie eine geringe Steifigkeit, um das Morphing zu erleichtern. Da die Studie mit der Grundarchitektur mit Dehnungswerten von + 20 % und – 20 % durchgeführt wurde, besteht die Möglichkeit, andere geometrische Parameter zu optimieren, um gängigere Materialien zu verwenden, wie in anderen Studien gezeigt39.

Verdrillte und gewickelte Fasern aus Nylonpolymeren (TCP) können potenzielle Kandidaten für die experimentelle Arbeit sein. Ihre spezifischen Arbeitswerte liegen nachweislich in der Größenordnung von 2,06 kJ/kg, sind bekanntermaßen von Natur aus leicht und dennoch stark in der Anwendung, können sich weit über die in diesem Projekt verwendete Dehnung von 20 % ausdehnen und zusammenziehen40 und haben eine relativ niedrige Steifigkeit, die mit der vergleichbar ist Werte, die in dieser Studie verwendet werden41. Diese gewünschten Dehnungswerte können bei einer viel geringeren Temperaturbelastung erreicht werden, obwohl es schwierig ist, sie in die in dieser Studie verwendeten Strickmaße zu integrieren. Unter Festigkeitsgesichtspunkten hat sich gezeigt, dass diese gedrehten Fasern zwar relativ weich und von geringer Steifigkeit sind, bei Betätigung jedoch Gewichte von über 50 kg oder einem Vielfachen ihres Eigengewichts tragen können. Dies zeigt, dass es Ausnahmen von den üblicherweise als „weich und unpraktisch“ geltenden Materialien gibt.

Das genaue Verhalten des Materials muss noch bestimmt werden und auf der Grundlage dieses Verständnisses sollte das Materialmodell entwickelt werden. Das in diesem Modell berücksichtigte Stoffgesetz ist ein lineares Wärmeausdehnungsmodell

Dabei ist L die Längenmessung und $dL/dT$ die Änderungsrate dieser linearen Dimension pro Temperaturänderungseinheit.

Da alle in diesem Artikel vorgestellten Arbeiten rechnerischer Natur sind, validieren wir das Zugverhalten der Strickstruktur mittels FEM anhand von Studien, die in der Vergangenheit33 durchgeführt wurden, wie in der ergänzenden Abbildung 3 dargestellt.

Die Methode zur Erstellung von 3D-Modellen für Modelle wird im Folgenden erläutert.

Bei der Erstellung dieser Strukturen wurde Solidworks verwendet, da die grafische Benutzeroberfläche die Manipulation der 3D-Garnstrukturen ermöglicht, eine Funktion, die in Abaqus nicht verfügbar ist. Bei allen im CAD-Paket erstellten Modellen wurde überprüft, dass es keine Interferenzen zwischen den Garnen gab. Da die Garne in Abaqus als kreisförmige Balkenabschnitte modelliert wurden, mussten die importierten Dateien zu Drahtelementen nachbearbeitet werden, die die Mittelachse des Garns darstellen (dargestellt in Abb. 1d). Dies wurde erreicht, indem nur ein Viertel des Garnprofils (ergänzende Abbildung 4) im CAD-Programm Solidworks modelliert wurde. Alle in Solidworks erstellten Modelle wurden in Abaqus unter Verwendung der in der ergänzenden Abbildung 5 gezeigten Schritte verarbeitet, um die Drahtmodelle abzuleiten.

Ein Vergleich zwischen den in Abb. 1e bzw. f gezeigten glatten und gerippten Strickmustern zeigt, dass der glatte Strick aus rechten Maschen (oder linken Maschen) besteht, während der Rippenstrick aus rechten und linken Maschen besteht, die abwechselnd in Maschenstäbchenrichtung angeordnet sind. Um das Modell des in den oben genannten Konfigurationen verwendeten Garns zu entwickeln, wurde ein Viertelabschnitt des Garnprofils modelliert, indem ein natürlicher Spline durch die Schlingenpunkte geführt wurde. Diese Punkte wurden durch Befolgen der in der ergänzenden Abbildung 6 dargestellten Methodik unter Verwendung der in der ergänzenden Tabelle 1 gezeigten geometrischen Abmessungen generiert, die für ein einfaches Strickmuster verwendet werden. Sowohl beim Uni- als auch beim Strickmuster vervollständigte ein kreisförmiges Muster aus sechsunddreißig Abschnitten das Profil eines einzelnen Garns für das Uni-Muster. Für das Rippenstrickmuster wurde der Schlingenspline mit dem Originalgarn gespiegelt fortgesetzt. Dieses Muster aus rechten und linken Maschen wurde 18 Mal wiederholt, um das Rippengarn zu entwickeln. Mit Randbedingungen, die als fester Punkt auf dem Außengarn festgelegt wurden, gefolgt von der Anwendung einer thermischen Belastung von 293 K bis 696 K, wurden aus Glatt- bzw. Rippenstrick veränderte Formen eines Sattels und eines achsensymmetrischen Körbchens erhalten. Für die übrigen in diesem Artikel betrachteten geometrischen Figuren wurde die gleiche Methode zum Durchführen eines natürlichen Splines durch entsprechende Punkte zum Erzeugen der Anfangsgeometrie verwendet und für das Morphing wurden die gleichen thermischen Belastungen angewendet. Das Windturbinenblattmodell wurde unter Verwendung eines linearen Musters ohne das Kontinuitätssegment zwischen den Garnebenen mit einem Abstand von 2,5 mm für 35 Instanzen entwickelt. Anschließend wurde für die zweite Ebene eine Instanz mit einem Muster von 9 Grad um die Achse erstellt. Die Ebenen wurden durch das Ellenbogensegment verbunden und für 20 Instanzen im Abstand von 18 Grad gemustert, um das vollständige Modell zu entwickeln. Das Schachbrettmuster wurde entwickelt, indem ein lineares Muster des Viertelgarnprofils erstellt wurde, das durch einen Pfad verläuft, der entlang der Schlaufenpunkte der kleinsten Einheit mit einem Abstand von 2,5 mm für einen Gesamtabstand von 100 mm definiert ist, um ein einzelnes Garn zu bilden. Anschließend wurden 20 Exemplare in Querrichtung im Abstand von 1,4 mm gemustert, um das vollständige Modell zu entwickeln. Sowohl das umgekehrte Kegel- als auch das Plug-Modell haben die gleiche geometrische Garnanordnung wie das Glattstrickmodell. Geometrische Modelle für die konzeptionelle Arbeit werden in der Arbeit nicht beschrieben und können auf Anfrage bei den Autoren zur Verfügung gestellt werden.

Nachbearbeitung in Abaqus

Beim Import nach Abaqus über die. Im STEP-Format wurde eine Nachbearbeitung durchgeführt, um die Drähte zu erhalten, die die Mitte des Garns darstellen. Die unerwünschten Teile wurden mithilfe der Symbolleiste „Geometrie bearbeiten“ entfernt. Dieser Viertelabschnitt eines einzelnen durchgehenden Garns wurde in Abaqus verarbeitet, indem Drähte aus Kanten erzeugt und anschließend nicht-mittlere Drahtabschnitte entfernt wurden (ergänzende Abbildung 5). Das Garn wird zu einem kreisförmigen Profil vereinfacht. Als nächstes wird dem aus dem vorherigen Schritt extrahierten Draht, der der Mittelachse des Garns entspricht, der Strahlabschnitt mit Materialeigenschaften und Strahlausrichtung entlang des Drahts zugewiesen, um den ersten Garn fertigzustellen. Nachfolgende Fasern in den Modellen waren relativ einfacher zu erzeugen. Unter Verwendung des vorherigen Garns als Vorlage wurden nachfolgende Fasern als Duplikate unter Verwendung einer „Teilkopie“ mit einem den Abbildungen entsprechenden Skalierungsfaktor erstellt. Diesen neuen Garnen wurden ein skalierter Radius und neue Materialeigenschaften zugewiesen, die in den entsprechenden Abbildungen dargestellt sind. Der Vorgang wurde wiederholt, um mehrere Garne mit unterschiedlichen Materialeigenschaften zu erhalten. Für alle dargestellten Beispiele wurde das gesamte Modell einer thermischen Belastung von 293 bis 696 K ausgesetzt.

Das Modell für Platten mit Wellen wurde mit einer dichteren Stricktopologie entwickelt, was zu einem hohen Volumenanteil im Modell führt. Für den Schachbrettabschnitt wurden alternative Materialien mit positiven und negativen Koeffizienten im Abstand von zehn Maschen in Maschenstäbchen- und Maschenreihenrichtung zugewiesen. Als alternative Strategie kann der vielfältige Satz von Ausdehnungskoeffizienten, der in einigen Beispielen verwendet wird, erreicht werden, indem das aus Fasern hergestellte Material mit festen thermischen Koeffizienten als alternative Strategie unterschiedlichen Graden von Reizen (oder Belastungen) ausgesetzt wird.

Einschränkungen des Balkenelements werden in der Abaqus-Dokumentation erläutert. Das Balkenelement eignet sich zur Modellierung des Garns, da es einer eindimensionalen Näherung nahe kommt, da der Querschnitt im Vergleich zur Abmessung senkrecht zur Achse des Balkens klein ist. Da der Querschnitt außerdem als massiv betrachtet wird, neigt er nicht dazu, ein weicheres Biegeverhalten zu zeigen, wie es bei Rohren oder Trägern mit I-Profilen der Fall ist42. Ein verfeinertes Netz für Balkenelemente erster Ordnung erfasst die anfängliche Krümmung des Garns gut.

Angesichts der großen Anzahl von Kontakten, die an der Struktur beteiligt sind, und der Bedeutung des Gleitens von Garnen, das zur Gesamtverformung der Gestricke beiträgt29, wurde in Abaqus die explizite Lösungsmethode verwendet, da komplexe Kontakte relativ einfach verarbeitet werden können. Eine weitere Einschränkung in Abaqus (ähnlich wie bei Ansys) ist die fehlende Möglichkeit, Netzkonvergenzstudien für Balkenelemente durchzuführen. Obwohl kleine Elementgrößen zu konvergenten Ergebnissen führen, erleichtern sie in Fällen mit vielen Wechselwirkungen die Durchdringung zwischen Strahlen. Der in dieser Studie verfolgte Ansatz bestand aus einem verfeinerten Netz mit Elementen aus mehreren Knoten, die die Krümmung des Balkens erfassen, was anderen Studien zufolge genaue Ergebnisse liefert42.

Da das minimale stabile Zeitinkrement gering war, wurde eine Massenskalierung hinzugefügt, um die Simulationen zu beschleunigen. Um sicherzustellen, dass die beschleunigte Analyse nicht durch dynamische Kräfte wie Trägheit beeinflusst wird, wurde durch einen Vergleich der kinetischen Energie mit der Dehnungsenergie sichergestellt, dass sie innerhalb eines kleinen Bruchteils liegt. Ergänzende Abbildung 7 zeigt einige Modelle in diesem Artikel, die nachweislich einen vernachlässigbaren Einfluss der Massenskalierung auf die Analyse haben. Detaillierte Informationen finden Sie in der Abaqus-Dokumentation42.

Für die Studie wurde ein dynamisches explizites Analyseverfahren mit einem Zeitraum von 1,5 s angewendet. Wenn die Massenskalierung für das gesamte Modell auf 5 eingestellt ist; Um die Rechenzeit zu verkürzen, wurde ein Zielzeitinkrement von 1E-6 gewählt. Die Wechselwirkung zwischen den Drähten wurde als allgemeine Wechselwirkung modelliert, die die Eigenschaften des tangentialen Verhaltens 0,12 und des normalen Verhaltens als „harter Kontakt“ enthält; übernommen aus der Standardinteraktion zwischen Garnen von TexGen43. Aus dem äußersten Garn wurde ein willkürlicher Knoten im äußersten Abschnitt fixiert, um der Struktur eine weniger eingeschränkte Morphologiefreiheit zu ermöglichen. Das gesamte Modell bestehend aus Garnen mit unterschiedlichen Materialkoeffizienten wurde einer thermischen Belastung von 293 bis 696 K ausgesetzt. Die thermische Belastung wird ausgewählt, da für die meisten Verbundfasern ein Wärmeausdehnungskoeffizient verfügbar ist. Dies ist eine einfache Form der Stimulation, da sie mit mehreren Methoden wie Strahlungserwärmung, Joule-Erwärmung oder Konvektionserwärmung erreicht werden kann. Darüber hinaus kann es sowohl für den Prototypenbau als auch für den industriellen Maßstab problemlos implementiert werden. Obwohl die thermische Belastung in allen Analysen konsistent war; es ist nicht fest eingestellt. Entscheidend sind hier die Dehnungswerte, die durch jede andere Belastungs- oder Reizform ermittelt werden können. Obwohl Strickwaren eine unterschiedliche Vorspannung haben, wenn sie von Hand gefertigt werden, und eine gleichmäßigere, wenn sie maschinell hergestellt werden, wurde in dieser Studie die Vorspannung im Garn nicht berücksichtigt. Die Hinzufügung der Vorspannung kann über den S11-Wert in der Abaqus-Modellierung erfolgen.

Häufig verwendete Maschen beim Stricken sind die Rechtsmasche und die Linksmasche, die kanonischer Natur sind; Die Rückseite des Stricks ist links und umgekehrt. Die Verwendung verschiedener Kombinationen dieser Maschen führt zu den Grundmustern beim Stricken: Glattstrick und Rippenstrick, wie gezeigt. Das einfache Muster besteht aus der gleichen Maschenform mit ihren benachbarten Domänen reihenweise (Reihe) und spaltenweise (Maschenstäbchen), während Rippenmaschen reihenweise (Reihe) und ohne Veränderung spaltenweise zwischen Rechts- und Linksmaschen wechseln ( Wal). Der anfängliche Aufbau für die Grundarchitektur bestand aus der Verwendung eines Glattstrickmusters mit farblich gekennzeichneten Materialabschnitten (Abb. 2a) und der Verwendung eines Rippenstrickmusters mit farblich gekennzeichneten Materialabschnitten (Abb. 2b), wobei die äußersten Abschnitte farblich gekennzeichnet waren Garne, die durch das Folgen der Einheitsschleife gemäß Abb. 3a,b definiert werden. Die Anwendung thermischer Belastungen von 293 bis 696 K führte zu veränderten Formen einer Sattelform (Abb. 3c und Zusatzfilm 3) bzw. einer axialsymmetrischen Form (Abb. 3d und Zusatzfilm 4).

Grundlegende Architektur und Material. (a) Das schlichte Strickmuster besteht nur aus rechten Maschen (im Gegensatz zur Ebene der linken Maschen der Figur), die aneinander angrenzen, wie im Schema oben gezeigt. Materialeigenschaften werden mithilfe der Farbcodierung definiert, wobei Blau für den negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten steht, während Rot für den positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten steht und der Einsatz die entsprechende Garnfarbe zeigt. (b) Das Rippstrickmuster besteht aus rechten Maschen neben den linken Maschen, wie im Schema oben gezeigt. Materialeigenschaften werden mithilfe der Farbcodierung definiert, wobei Blau für den negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten steht, während Rot für den positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten steht und der Einsatz die entsprechende Garnfarbe zeigt.

Grundlegendes architekturbasiertes Morphing. (a) Die definierten Materialeigenschaften verwenden die Farbcodierung für Glatt- und Rippstrick. (b) Blau steht für einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, während Rot für einen positiven thermischen Ausdehnungskoeffizienten steht. (c) Geometrische Eigenschaften einer einzelnen Schleife, rot hervorgehoben, die dann gemustert wird. (d) Geometrische Eigenschaften einer einzelnen Schleife, rot hervorgehoben, die dann gemustert wird. (e) Ein glatter Strick verwandelt sich in eine konkave Sattelform. (f) Ein Rippenstrick verwandelt sich in eine achsensymmetrische Körbchenform.

Eine Erklärung für den möglichen Unterschied in den erhaltenen Formen ist, dass das Rippenmuster aufgrund der abwechselnden Muster aus Rechts- und Linksstrick von Natur aus symmetrisch ist. Für das Schachbrettmuster (Abb. 4a) wurden alternative positive und negative Materialkoeffizienteneigenschaften zugewiesen (Abb. 4b und Zusatzfilm 5), was zu einer veränderten Struktur des Schachbrettmusters führte (Abb. 4c). Durch die Verwendung eines einfachen Musters mit höherem Volumenanteil, wobei Abb. 4d die geometrischen Eigenschaften der kleinsten Einheit und die in Abb. 4e definierten Materialeigenschaften zeigt, erhalten wir eine verwandelte Platte mit Wellen (Abbildung 4f für Dynamik siehe Zusatzfilm 6). Diese Ergebnisse ähneln denen anderer Studien, bei denen die Anzahl der Wellen von der Dicke abhängt14, obwohl in dieser Studie die Korrelation nicht untersucht wurde. Die Verwendung von Materialien in der geometrischen Konfiguration eines einfachen Musters wie in Abb. 4g (die mit Abb. 2a identisch sind) und des in Abb. 4h definierten Materials kann zu einer anderen veränderten Form führen – einem umgekehrten Kegel (Abb. 4i, Dynamik siehe Zusatzfilm 7). Auch hier kann die Verwendung von Materialien in der geometrischen Konfiguration des einfachen Musters wie in Abb. 4j (die mit Abb. 2a identisch sind) und des in Abb. 4k definierten Materials zu einer erhöhten Kuppel führen (Abb. 4l, Dynamik, siehe Zusatzfilm 8).

Verzerrung verschiedener Formen mit programmiertem Material – geometrische und Materialeigenschaften und endgültige Morphstruktur. (a) Ursprüngliche Struktur des Schachbrettmusters mit eingeschränkten Kanten entlang der Y-Achse. Der Einsatz zeigt eine einzelne rot hervorgehobene Schlaufe, die dann linear gemustert wird, um einen einzelnen Faden zu vervollständigen. Linear sich wiederholendes Garn ist gelb dargestellt. Geometrische Koordinaten der kleinsten Wiederholungseinheit in Rot für die Garne, die dem Einsatz in der vorherigen Reihe entsprechen. (b) Materialkodierung für Schachbrettmuster. (c) Endgültige gemorphte Struktur des Schachbrettmusters. (d) Ursprüngliche Struktur der Platte mit Wellenmuster aus hochvolumigem Anteil. Der Einsatz zeigt eine einzelne rot hervorgehobene Schlaufe, die dann linear gemustert wird, um einen einzelnen Faden zu vervollständigen. Radial sich wiederholendes und schuppiges Garn ist in Gelb dargestellt. Geometrische Koordinaten der kleinsten Wiederholungseinheit in Rot für die Garne, die dem Einsatz in der vorherigen Reihe entsprechen. (e) Materialkodierung für Muster mit Wellen. (f) Endgültige veränderte Plattenstruktur mit Wellen. (g) Ursprüngliche Struktur des umgekehrten Kegels. Der Einsatz zeigt eine einzelne rot hervorgehobene Schlaufe, die dann linear gemustert wird, um einen einzelnen Faden zu vervollständigen. Radial sich wiederholendes und schuppiges Garn ist in Gelb dargestellt. Geometrische Koordinaten der kleinsten Wiederholungseinheit in Rot für die Garne, die dem Einsatz in der vorherigen Reihe entsprechen. (h) Materialkodierung für umgekehrten Kegel. (i) Ursprüngliche Struktur des umgekehrten Kegels. (j) Ursprüngliche Struktur des Steckers. Der Einsatz zeigt eine einzelne rot hervorgehobene Schlaufe, die dann linear gemustert wird, um einen einzelnen Faden zu vervollständigen. Radial sich wiederholendes und schuppiges Garn ist in Gelb dargestellt. Geometrische Koordinaten der kleinsten Wiederholungseinheit in Rot für die Garne, die dem Einsatz in der vorherigen Reihe entsprechen. (k) Materialkodierung für Stecker. (l) Endgültige veränderte Struktur des Steckers. (m) Ursprüngliche Struktur des Rotorblatts einer Windkraftanlage. Einfügen zeigt eine einzelne rot hervorgehobene Schleife, die linear gemustert ist. In Umfangsrichtung sich wiederholendes Garn ist gelb dargestellt. Geometrische Koordinaten der kleinsten Wiederholungseinheit in Rot für die Garne, die dem Einsatz in der vorherigen Reihe entsprechen. (n) Materialkodierung für Rotorblätter von Windkraftanlagen. (o) Endgültige veränderte Struktur der Windkraftanlage.

Die in dieser Studie erhaltenen Formen zeigen das Potenzial, mit dieser Fertigungstechnik komplexe Formen wie Ölwannenböden, Autokotflügel und Motorgehäuse herzustellen. Darüber hinaus kann die Entwicklung von Prototypen durchgeführt werden, ohne dass komplexe Formen erstellt werden müssen. So wie die inkrementelle Blechumformung44 zu einer beliebten Fertigungsmethode für die stempellose Umformtechnik geworden ist, können Morphing-Gewebe den Grundstein für die stempellose Umformung von Verbundwerkstoffen bilden, die für maßgeschneiderte Artikel und Rapid Prototyping geeignet sind. Diese Reduzierung der Anfangsinvestitionen in Kapitalausrüstung und Werkzeuge mit geringer Zykluszeit würde die Kosten pro Steifigkeitseinheit45 erheblich senken und auf das Niveau von Stählen bringen, die von derzeit 4,35 $/lb-100 auf 0,75 $/lb-200 GPa gesenkt werden müssen GPa. Da der Prozess zudem vollständig automatisiert werden kann, ist er für industrielle Anwendungen geeignet. Dies würde die Hindernisse abbauen, die einer breiten Einführung von Verbundwerkstoffen in verschiedenen Fertigungssektoren wie der Automobilindustrie im Wege stehen.

Großflächige Strukturen

Rotorblätter von Windkraftanlagen, eine der größten jemals gebauten Verbundkonstruktionen, werden in äußerst komplexen Verfahren mit großen Formen hergestellt, die ein Drittel der Fixkosten ausmachen46. Ein Ansatz zur Reduzierung der Kosten solcher Strukturen könnte darin bestehen, eine Strategie zu verwenden, wie sie in unserer Arbeit gezeigt wird. Unter Verwendung der in Abb. 4m definierten geometrischen Eigenschaften und durch die Kombination verschiedener Wärmeausdehnungseigenschaften und Steifigkeitsgradienten in Abb. 4n ist es möglich, eine schaufelähnliche Form zu erreichen, wie in Abb. 4o und Zusatzfilm 9 gezeigt. Der Schaufelabschnitt wurde mit a entworfen In Maschenrichtung war das Profil kreisförmig gemustert, während in Maschenrichtung das Profil linear gemustert war. Einem Ende des zylindrischen Abschnitts wurden feste Randbedingungen zugewiesen, ähnlich wie bei der Wurzel einer Schaufel.

Darüber hinaus kann Morphing genutzt werden, um die Gesamteffizienz zu verbessern, indem das Profil an die Windgeschwindigkeit angepasst wird. Darüber hinaus können die Muster zu neuen Formen kombiniert werden; Die Verwendung von Rippstrick und Glattstrick mit programmierten Materialien kann die Form des LDSD der NASA bilden.

Inspiriert durch topologische Veränderungen, die häufig bei DNA-Molekülen beobachtet werden, die sich kontinuierlich verändern, um ihre Funktion zu erfüllen47, wird ein ähnliches Muster mit unterschiedlichen Materialeigenschaften untersucht. Abbildung 5a zeigt die von gewickelter DNA inspirierte Struktur mit Strängen aus Materialien und die resultierende veränderte Struktur Abb. 5b. Ähnlich wie Origami auf zellulärer Ebene verwendet wurde, haben wir uns hier von der zellulären Ebene für neue Arten der Strickarchitektur inspirieren lassen.

Konzeptionelle Arbeit und Inspiration. (a) DNA-Coiling-inspirierte Topologie. Farbcodierte Materialeigenschaften definiert. (b) Quallenähnliche Wasserbewegungen können durch Wechseln zwischen den beiden gezeigten Konfigurationen erreicht werden. Konfig. 1. (c) Ein Multimaterial-Strick auf einer Stricknadel. Farbcodierte Materialeigenschaften definiert. (d) Halber Ring bestehend aus Garnen aus mehreren Materialien. Farbcodierte Materialeigenschaften definiert. (e) Morphierte Strukturen der gewundenen DNA. (f) Quallenähnliche Wasserbewegungen können durch Wechseln zwischen den beiden gezeigten Konfigurationen erreicht werden. Konfiguration 2. (g) Morphierte Struktur aus Multimaterial-Strick. (h) Morphierte Strukturen des Halbtoroids.

Weitere Anwendungen umfassen die Entwicklung eines Robotersystems, das das Schwimmverhalten von Quallen nachahmt, indem es zwischen der offenen und geschlossenen Form wechselt, um Nutzlast zu einem Einsatzort zu transportieren oder als Notunterkunft eingesetzt zu werden (Abb. 5c, d).

Zusätzlich zur oben genannten Anwendung werden einige konzeptionelle Arbeiten vorgestellt.

Abbildung 5e,f zeigt die anfängliche Konfiguration eines Strickmusters auf einer Holznadel bzw. die endgültige veränderte Struktur auf einer hölzernen Stricknadel. Abbildung 5g ist ein Darstellungsdiagramm eines Halbabschnitts eines Toroids, der aus gestricktem Stoff aus unterschiedlichem Material besteht, und der endgültigen Morphkonfiguration in Abb. 5h.

Obwohl in dieser Studie keine experimentelle Validierung erfolgreich durchgeführt werden konnte, liegt die Bedeutung dieser Arbeit aufgrund der Herausforderungen beim Stricken dieser Strukturen von Hand und der begrenzten Ressourcen in den Möglichkeiten, die sie als Teil eines frühen Innovationszyklus bietet Die Technologie ist noch nicht ganz ausgereift, kann aber die Entwicklung vorantreiben, indem sie einen neuartigen Ansatz für das Morphing bietet.

Die Skalierung des Durchmessers der Garne und der Gesamtarchitektur der glatten Strickarchitektur (a) auf die Faktoren 10 und 100 ergab nicht die gleichen Effekte des Morphing-Verhaltens wie in der ergänzenden Abbildung 8 gezeigt. Diese Beobachtung kann auf Reibungseffekte zurückgeführt werden nichtlinearer Natur und die Tatsache, dass die Biegesteifigkeit im Verhältnis zur dritten Potenz des Durchmessers skaliert. Die Verwendung von Materialkombinationen mit thermischen Ausdehnungskoeffizientenwerten von ± 5E−6 und ± 5E−5 auf dem glatten Strickmuster in a führte zu keinem Morphing-Verhalten. Eine detaillierte Untersuchung der geeigneten Materialeigenschaften in Kombination mit der Geometrie, die zum Morphing führen, könnte in einer zukünftigen Studie durchgeführt werden. Eine durchgeführte parametrische Studie (Variablen wie Anzahl der Schleifen und Tiefe der Ebene d1 und d2) lieferte keine schlüssigen Erkenntnisse über die Beziehungen zwischen den Variablen und dem Verhalten außerhalb der Ebene. Darüber hinaus ergab unsere Untersuchung, dass bestimmte Fasern zwar einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die Nichtlinearität zusammen mit dem niedrigen Ausdehnungsmodul es jedoch schwierig macht, sie zu integrieren48. Aufgrund der thermischen Trägheit des Systems ist die Reaktion thermischer Systeme im Vergleich zu pneumatischer Betätigung viel langsamer, was die Implementierung in Anwendungen wie der Luftfahrt zu einer Herausforderung macht. Kohlenstofffasern und andere typische Verbundfasern sind aufgrund der kurzen Maschen, der Größe des Kabels in Strickmaschinen und des Flaums schwierig zu stricken und erfordern daher eine spezielle Modifikation. In gestrickten Strukturen ist es nicht möglich, einen herkömmlichen Faservolumengehalt zu erreichen, was zu schlechteren mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen unidirektionalen Verbundwerkstoffen führt. Andere Ideen, die aus der auf Neugier basierenden Forschung verfolgt werden können, können sich auf die Knotentheorie, Fraktale, Flechten und Defekte beziehen.

Stricken und Flechten können durch die Knotentheorie mit dem gemeinsamen Thema der Topologie erklärt werden. Die Knotentheorie hat den Vorteil, dass sie einen algorithmischen Ansatz zur Bestimmung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung oder der topologischen Eigenschaft bietet. Da die topologischen Invarianten als Anzahl der Kreuzungen, Maschenlänge, maximale und minimale Garnkrümmung definiert sind, aber nicht darauf beschränkt sind, mit Eliminierung von Duplikaten durch Regeln, die auf Reidemeister-Bewegungen basieren, bietet dies die Freiheit, eine große Anzahl von Strickarchitekturkonfigurationen mithilfe fortgeschrittener Techniken zu erkunden Das Ziel besteht darin, die optimale Material- und Architekturkombination für die gewünschte Leistung zu ermitteln49,50.

Ein Fraktal ist ein nie endendes Muster, bei dem das Muster auf einer granularen Ebene mit den obersten Ebenen übereinstimmt. Stricken, das als rekursive Programmierung mit sich selbst replizierenden Mustern zerlegt werden kann, kann auf eine fraktale Form erweitert werden. Obwohl unklar ist, ob ein mögliches Verhalten/eine mögliche Beobachtung mathematisch als Fraktal klassifiziert werden kann, ist die Sichtweise des Strickens als Fraktal hier auf einer niedrigeren Ebene angesiedelt und wird visuell dargestellt. Textilien auf Fraktalbasis können für die Entwicklung fortschrittlicher Textilien auf Nano- bis Makroebene zur Schweißregulierung verwendet oder zu intelligenten, stoffbasierten Wearables weiterentwickelt werden.

Geflochtene Verbundfasern werden wegen ihrer Eigenschaften wie hoher Schlagfestigkeit geschätzt und kommen typischerweise in asymmetrischen Komponenten wie Diffusorabschnitten oder kreisförmigen Dornen vor. Fälle, in denen ein nicht asymmetrischer Querschnitt verwendet wird, der entlang der Länge variiert, werden als komplexe Formen bezeichnet51. Alternative Methoden zur Herstellung komplexer Formen basierten in der Vergangenheit auf dehnbaren Flechthülsen. Hier wird ein Vorschlag gemacht, bei dem durch die Verwendung unterschiedlicher Materialeigenschaften einer röhrenförmigen geflochtenen Hülse Morphing genutzt werden kann, um komplexe, nicht achsensymmetrische Formen zu realisieren. Darüber hinaus wäre ein weiterer Vorschlag, als Strickgarn Zöpfe aus unterschiedlichen Materialien zu verwenden.

Die Auswirkungen von Unvollkommenheiten wie Löchern, heruntergefallenen Maschen, dickem oder dünnem Garn oder gebrochener Nadel verändern wahrscheinlich das Morphing-Verhalten, ähnlich wie bei jedem Knickproblem, und daher könnte man sich fragen, ob es möglich ist, diese Fehler für positive Ergebnisse vorzuprogrammieren. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Einführung topologischer Defekte in phasentransformierenden Metamaterialien interessante Ergebnisse liefert52.

Die axialen Spannungen der Garne führen, wenn sie durch die geometrische Topologie der Strickstruktur eingeschränkt werden, zu interessanten Morphing-Strukturen, die sich durch Biegung der Garne ausdrücken. Darüber hinaus wäre die Entwicklung inverser Modelle erforderlich, die die Form nach der Belastung genau vorhersagen können, um ein umfassendes Verständnis des Prozesses zu entwickeln, wie dies durch die Arbeit mit anderen Herstellungsprozessen gezeigt wurde53. Ein weiteres interessantes Forschungsvorhaben wäre die Ausweitung der Arbeit zur Lagrange-Mechanik, um die Mechanik von Knitmorphs durch die Betrachtung der topologischen Veränderungen innerhalb der verschiedenen Architekturkombinationen zu erklären.

Die Anordnung von Garnen unterschiedlicher Materialeigenschaften in einer bestimmten Reihenfolge führt zu bestimmten sinnvollen Formen wie Sätteln, umgekehrten Körbchen usw. In beliebiger Anordnung angeordnete Garne weisen nicht die gleichen Eigenschaften auf. Es ist eine vernünftige Annahme, dass die Ergebnisse eine Kombination aus Material und Struktur sind. Darüber hinaus muss der Designraum erkundet und eine analytische Formulierung festgelegt werden, um einen besseren Einblick darüber zu erhalten, welche Faktoren für die Kontrolle des Ausmaßes des Morphing-Verhaltens entscheidend sind.

Experimentelle Strategien, die im Rahmen dieser Forschung entwickelt wurden und extreme Wärmeausdehnungswerte verwenden, was die praktischen Materialoptionen einschränkt, könnten jedoch den Schlüssel dazu darstellen, unkonventionelle Herstellungstechniken wie den 3D-Druck zu verwenden. Es gibt eine Fülle architektonischer Möglichkeiten beim Stricken für Forschungszwecke; sowohl dokumentiert als auch undokumentiert, abgesehen von den beiden üblichen (glatt und gerippt), die in dieser Arbeit untersucht werden. Obwohl die untersuchten Strickmuster durch einfache Architekturen entwickelt wurden, zeigten sie ein reichhaltiges Verhalten und können mithilfe von Techniken des maschinellen Lernens zur Mainstream-Forschung heranreifen.

Alle in dieser Studie verwendeten Daten und Modelle können auf begründete Anfrage von den Autoren zur Verfügung gestellt werden.

Hawkes, E. et al. Programmierbare Materie durch Falten. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 107, 12441–12445 (2010).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li, C. et al. Schnelle und programmierbare Fortbewegung von Hydrogel-Metall-Hybriden unter Licht- und Magnetfeldern. Wissenschaft. Roboter. 5, eabb9822 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Fu, H. et al. Morphierbare 3D-Mesostrukturen und mikroelektronische Geräte durch multistabile Knickmechanik. Nat. Mater. 17, 268–276 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jamal, M. et al. Bio-Origami-Hydrogelgerüste aus photovernetzten PEG-Doppelschichten. Adv. Gesundheitc. Mater. 2, 1142–1150 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Liu, Y., Boyles, JK, Genzer, J. & Dickey, MD Selbstfaltung von Polymerfolien durch lokale Lichtabsorption. Soft Matter 8, 1764–1769 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Momeni, F., Hassani, SMM, Liu, X. & Ni, J. Ein Überblick über den 4D-Druck. Mater. Dez. Rev. 122, 42–79 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Siéfert, E., Reyssat, E., Bico, J. & Roman, B. Bioinspirierte pneumatische formverändernde Elastomere. Nat. Mater. 18, 24–28 (2019).

Artikel ADS PubMed CAS Google Scholar

Hajiesmaili, E. & Clarke, DR Rekonfigurierbare formverändernde dielektrische Elastomere unter Verwendung räumlich variierender elektrischer Felder. Nat. Komm. 10, 10–16 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Sydney Gladman, A., Matsumoto, EA, Nuzzo, RG, Mahadevan, L. & Lewis, JA Biomimetischer 4D-Druck. Nat. Mater. 15, 413–418 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Aksoy, B. & Shea, H. Rekonfigurierbare und verriegelbare formverändernde dielektrische Elastomere basierend auf lokaler Steifigkeitsmodulation. Adv. Funktion. Mater. 30, 2001597 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Kuder, IK, Arrieta, AF, Raither, WE & Ermanni, P. Material- und Strukturkonzepte mit variabler Steifigkeit für Morphing-Anwendungen. Prog. Aerosp. Wissenschaft. 63, 33–55 (2013).

Artikel Google Scholar

Poppinga, S., Correa, D., Bruchmann, B., Menges, A. & Speck, T. Pflanzenbewegungen als Konzeptgeneratoren für die Entwicklung biomimetischer konformer Mechanismen. in Integrative and Comparative Biology vol. 60 886–895 (Oxford Academic, 2020).

Wang, W. Mechanischer Aufbau thermoresponsiver, formverändernder Strukturen auf Polymerbasis. Makromol. Mater. Ing. 305, 1–9 (2020).

Google Scholar

Kempaiah, R. & Nie, Z. Von der Natur zu synthetischen Systemen: Formtransformation in weichen Materialien. J. Mater. Chem. B 2, 2357–2368 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Pressley, A. Gauss' letzter Satz 229–246 (Springer, 2001). https://doi.org/10.1007/978-1-4471-3696-5_10.

Buchen Sie Google Scholar

Taffetani, M., Box, F., Neveu, A. & Vella, D. Einschränkungen der krümmungsbedingten Steifigkeit: Wie sich ein gebogener Streifen unter der Schwerkraft verbiegt. EPL 127, 14001 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Die Schöne und die Fahrräder: Motorräder mit Vinylfolie: YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=m0qOOcIDGuk.

Huang, C. et al. Differenzielles Wachstum und Formbildung in Pflanzenorganen. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 115, 12359–12364 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Savin, T. et al. Über Wachstum und Form des Darms. Natur 476, 57–63 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Gerbode, SJ, Puzey, JR, McCormick, AG & Mahadevan, L. Wie sich die Gurkenranke windet und überwindet. Wissenschaft 337, 1087–1091 (2012).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Tallinen, T., Chung, JY, Biggins, JS & Mahadevan, L. Gyrifizierung durch eingeschränkte kortikale Expansion. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 111, 12667–12672 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ou, J. et al. AeroMorph – Heißsiegelbare aufblasbare Formänderungsmaterialien für Interaktionsdesign. in UIST 2016: Proceedings of the 29th Annual Symposium on User Interface Software and Technology 121–132 (ACM, 2016). https://doi.org/10.1145/2984511.2984520.

Lu, Q. et al. milliMorph – Flüssigkeitsgesteuerte Dünnfilm-Formänderungsmaterialien für Interaktionsdesign. in UIST 2019 – Tagungsband des 32. jährlichen ACM-Symposiums zu Benutzeroberflächensoftware und -technologie 663–672 (2019). https://doi.org/10.1145/3332165.3347956.

An, B. et al. Thermorph: Demokratisierung des 4D-Drucks von selbstfaltenden Materialien und Schnittstellen. in Conference on Human Factors in Computing Systems – Proceedings Bände 2018–April (Association for Computing Machinery, 2018).

Reyssat, E. & Mahadevan, L. Hygromorphe: Von Tannenzapfen zu biomimetischen Doppelschichten. JR Soc. Schnittstelle 6, 951–957 (2009).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Boddapati, J., Mohanty, S. & Annabattula, RK Ein analytisches Modell für die Formänderung durch kombiniertes Biegen und Verdrehen in Piezo-Verbundwerkstoffen. Mech. Mater. 144, 103350 (2020).

Artikel Google Scholar

Siéfert, E., Reyssat, E., Bico, J. & Roman, B. Programmierung steifer aufblasbarer Schalen aus planar gemusterten Stoffen. Soft Matter 16, 7898–7903 (2020).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Boley, JW et al. Formverändernde strukturierte Gitter durch Multimaterial-4D-Druck. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 116, 20856–20862 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Duhovic, M. & Bhattacharyya, D. Simulation der Verformungsmechanismen von gestrickten Stoffverbundwerkstoffen. Kompositionen. Teil A Appl. Wissenschaft. Hersteller 37, 1897–1915 (2006).

Artikel Google Scholar

Ning, X. et al. Zusammenbau fortschrittlicher Materialien zu dreidimensionalen Funktionsstrukturen durch von Origami und Kirigami inspirierte Methoden: Ein Rückblick. Adv. Mater. Schnittstellen 5, 1800284 (2018).

Artikel Google Scholar

Harris, J. (Hrsg.) 5000 Jahre Textilien (SMITHSONIAN INST Press, 2011).

Google Scholar

Huang, ZM & Ramakrishna, S. Mikromechanische Modellierungsansätze für die Steifigkeit und Festigkeit von gestrickten Stoffverbundwerkstoffen: Eine Übersicht und vergleichende Studie. Kompositionen. Teil A Appl. Wissenschaft. Hersteller 31, 479–501 (2000).

Artikel Google Scholar

Poincloux, S., Adda-Bedia, M. & Lechenault, F. Geometrie und Elastizität eines Gestricks. Physik. Rev. X 8, e21075 (2018).

Google Scholar

Knittel, CE et al. Modellierung textiler Strukturen mithilfe bikontinuierlicher Flächen. J. Mathe. Art. 14, 331–344 (2020).

Artikel MathSciNet MATH Google Scholar

Balea, L., Dusserre, G. & Bernhart, G. Mechanisches Verhalten von glattgestrickten, verstärkten Injektionsverbundwerkstoffen: Einfluss von Einlegegarnen und Fasertyp. Kompositionen. Teil B Eng. 56, 20–29 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Kyosev, Y. & Renkens, W. Modellierung und Visualisierung von Gestricken. Modellierung und Vorhersage von Textilverhalten: Ein Band in der Woodhead Publishing Series in Textiles (Woodhead Publishing Limited, 2009). https://doi.org/10.1533/9781845697211.1.225.

Han, MW & Ahn, SH Blühende Strickblumen: Schleifenverknüpfte Soft-Morphing-Strukturen für Soft-Robotik. Adv. Mater. 29, 1606580 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Abel, J., Luntz, J. & Brei, D. Hierarchische Architektur aktiver Strickwaren. Kluge Mater. Struktur. 22, 125001 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ge, Q., Qi, HJ & Dunn, ML Aktive Materialien durch vierdimensionales Drucken. Appl. Physik. Lette. 103, 131901 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Haines, CS et al. Künstliche Muskeln aus Angelschnur und Nähgarn. Wissenschaft 343, 868–872 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Aziz, S. et al. Ein mikrowellenbetriebener künstlicher Polymermuskel. Appl. Mater. Heute 23.10.1021 (2021).

ِABAQUS. Abaqus 6.14 Dokumentation. Abaqus 6.14 Anal. Benutzerhandbuch. 14 (2014).

Lin, H., Brown, LP & Long, AC Modellierung und Simulation textiler Strukturen mit TexGen. in Advanced Materials Research vol. 331 44–47 (Trans Tech Publications Ltd, 2011).

Duflou, JR et al. Einzelpunkt-Inkrementalformen: Stand der Technik und Ausblick. Int.J. Mater. Bilden. 11, 743–773 (2018).

Artikel Google Scholar

McWilliams, A. Verbundwerkstoffe in Automobilanwendungen: Globale Märkte bis 2022. BCC Publ. Personal. (2018, April. (Berichtscode PLS081B). BCC Res. https://www.bccresearch.com/

Bortolotti, P. et al. Ein detailliertes Kostenmodell für Rotorblätter einer Windkraftanlage. Nrel 1–69 (2019).

Irobalieva, RN et al. Strukturelle Vielfalt superspiralisierter DNA. Nat. Komm. 6, 1 (2015).

Google Scholar

Hua, Y., Ni, QQ, Yamanaka, A., Teramoto, Y. & Natsuki, T. Die Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit negativen Wärmeausdehnungseigenschaften unter Verwendung von Hochleistungsfasern. Adv. Kompositionen. Mater. 20, 463–475 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Grishanov, S., Meshkov, V. & Omelchenko, A. Eine topologische Untersuchung textiler Strukturen. Teil I: Eine Einführung in topologische Methoden. Text. Res. J. 79, 702–713 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Grishanov, S., Meshkov, V. & Omelchenko, A. Eine topologische Untersuchung textiler Strukturen. Teil II: Topologische Invarianten in der Anwendung auf textile Strukturen. Text. Res. J. Artic. Text. Res. J. 79, 822–836 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Kessels, JFA & Akkerman, R. Vorhersage der Garnbahnen auf komplexen geflochtenen Vorformen. Kompositionen. Teil A Appl. Wissenschaft. Hersteller 33, 1073–1081 (2002).

Artikel Google Scholar

Jin, L. et al. Geführte Übergangswellen in multistabilen mechanischen Metamaterialien. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 117, 2319–2325 (2020).

Artikel ADS MathSciNet CAS PubMed PubMed Central MATH Google Scholar

Lee, C. & Cao, J. Schalenelementformulierung einer mehrstufigen inversen Analyse für einen achsensymmetrischen Tiefziehprozess. Int. J. Numer. Methoden Eng. 50, 681–706 (2001).

3.0.CO;2-M" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1097-0207%2820010130%2950%3A3%3C681%3A%3AAID-NME45%3E3.0.CO%3B2-M" aria-label="Article reference 53" data-doi="10.1002/1097-0207(20010130)50:33.0.CO;2-M">Artikel MATH Google Scholar

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Die Autoren danken Prof. Kornel Ehmann, Derick Andres Suarez und Sanjana Subramaniam für ihr konstruktives Feedback während der Gruppentreffen. Wir danken Staci für die Erlaubnis, ein Foto ihrer Arbeit mit einem Flachstrickmuster zu verwenden. JC dankt für die Unterstützung durch das Vannevar Bush Faculty Fellowship N00014-19-1-2642. MRB dankt der National Science Foundation für die Unterstützung des Graduate Fellowship (unter der Grant-Nr. DGE-1842165).

Fakultät für Maschinenbau, Northwestern University, Evanston, IL, 60208, USA

Sangram K. Rout, Marisa Ravena Bisram und Jian Cao

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JC konzipierte eine Forschungsidee, lieferte Vorschläge und las die Arbeit Korrektur. MRB überprüfte die Ergebnisse, machte Vorschläge, verfasste das Papier und las es Korrektur. SKR entwarf die Forschung, führte numerische Analysen durch, verfasste und überprüfte die Arbeit.

Korrespondenz mit Sangram K. Rout.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Rout, SK, Bisram, MR & Cao, J. Methoden zur numerischen Simulation von strickbasierten morphbaren Strukturen: Knitmorphs. Sci Rep 12, 6630 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-09422-3

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Eingegangen: 07. August 2021

Angenommen: 15. März 2022

Veröffentlicht: 22. April 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-09422-3

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