[論文レビュー] Self-sensing metamaterials with odd micropolarity

Yangyang Chen, Xiaopeng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2020

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、圧電素子と電子フィードバックを備えたフリー・スタンディングなアクティブメタマテリアルを提案しており、奇数のミクロポラルな弾性—非可逆的で、ポテンシャルに基づかない機械的応答—を示す。これにより、電気的仕事と機械的仕事の間で双方向のエネルギー変換が可能となる。この系の非エルミート的トポロジカル指数が境界に局在化した振動モードを支配し、特別な部品を用いずに分散型センシングおよびアクチュエーションを模倣する。

ABSTRACT

Materials made from active, living, or robotic components can display emergent properties arising from local sensing and computation. Yet, the implications of such self-sensing and feedback on the continuum mechanics of freestanding active solids remain largely unexplored. Here, we realize a freestanding active metamaterial with piezoelectric elements and electronic feedback loops that gives rise to an odd micropolar elasticity which does not follow from a potential energy. A non-reciprocal active modulus enables bending and shearing cycles that convert electrical energy into mechanical work, and vice versa. The sign of this elastic modulus is linked to a non-Hermitian topological index that controls the localization of vibrational modes to sample boundaries. Unlike biological organisms with specialized components, our active metamaterial built out of undifferentiated cells acts as a distributed machine capable of sensing changes in its own shape and performing work in response. Aside from the design of active metabeams and other autonomous structural components, our work provides guidelines to control the elasticity of active synthetic biofilaments and membranes.

研究の動機と目的

• 局所的なセンシングおよび計算を統合したフリー・スタンディングなアクティブな固体の連続体力学を調査すること。
• アクティブフィードバックを用いてポテンシャルに基づかない弾性を実現するメタマテリアルの設計。これは、従来のエネルギーに基づく弾性に反する。
• 非エルミート的トポロジーとアクティブ材料における機械的応答との間の関係を確立すること。
• アクティブセルの分散的で区別されない系において、特別な部品を用いずに自律的形状センシングと仕事出力を実現すること。

提案手法

• 電気機械的変換を可能にするために、フリー・スタンディングなメタマテリアル格子に圧電素子を統合すること。
• 非可逆的アクティブ弾性係数の挙動を生み出すために、電子フィードバックループを実装すること。
• 弾性係数の符号が非エルミート的トポロジカル指数によって支配されるシステムの設計。
• フィードバックを用いて奇数のミクロポラル弾性を誘発し、時間反転対称性を破り、エネルギー変換サイクルを可能にすること。
• 区別されないセルに分散型センシングおよびアクチュエーションを適用し、生物学的機能に類似した機能を模倣すること。
• トポロジカル保護による境界に局在化した振動モードの確認のため、振動モードの分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタマテリアルにおけるアクティブフィードバックは、スカラーポテンシャルから導出できないポテンシャルに基づかない弾性をどのように生成できるか？
• RQ2 非エルミート的トポロジーは、機械的応答および振動モードの局在化を制御するために果たす役割は何か？
• RQ3 分散的で区別されないアクティブセルの系は、特別な部品を用いずにセンシングおよびアクチュエーションを実行できるか？
• RQ4 アクティブ弾性係数の符号は、電気的仕事と機械的仕事の間のエネルギー変換にどのように影響するか？
• RQ5 フリー・スタンディングなアクティブな固体における局所的センシングおよび計算から、どのような顕在的機械的挙動が生じるか？

主な発見

• アクティブメタマテリアルは、ポテンシャルエネルギーから導出されない奇数のミクロポラル弾性を示しており、非保存的機械的挙動を示している。
• 非可逆的アクティブ弾性係数により、電気的エネルギーから機械的仕事への変換およびその逆が可能となる。
• 弾性係数の符号は、非エルミート的トポロジカル指数によって決定され、これが振動モードのサンプル境界への局在化を制御する。
• 振動モードはトポロジカルに保護されており、構造的非対称性がなくても端に局在化している。
• この系は、区別されないアクティブセルのみを用いて、形状変化のセンシングと機械的仕事への応答を実行できる分散型マシンとして機能する。
• 本設計は、アクティブフィードバックを用いて合成バイオフィラメントおよび膜の弾性を制御するフレームワークを提供する。