[論文レビュー] The delicate memory structure of coupled origami switches

Théo Jules, Austin Reid+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2021

Advanced Materials and Mechanics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、幾何学的設計による相互作用を有する、結合されたKreslingパターンを用いた二安定性ユニットで構成される1次元の折りたたみベルロウを提案する。このシステムは、可変な活性化エネルギーを持つ4ビットを連結することで、64状態の構成空間を実現し、ガラス状態系に類似した複雑で不可逆的な記憶ダイナミクスを示す。これには、シフトや欠际消去遷移が含まれるが、高さと剛性の測定によって状態の識別が可能である。

ABSTRACT

While memory effects emerge from systems of wildly varying length- and time-scales, the reduction of a complex system with many interacting elements into one simple enough to be understood without also losing the complex behavior continues to be a challenge. Here, we investigate how bistable cylindrical origamis provide such a reduction via tunably-interactive memory behaviors. We base our investigation on folded sheets of Kresling patterns that function as two-state memory units. By linking several units, each with a selected activation energy, we construct a one-dimensional material that exhibits return-point memory. After a comprehensive experimental analysis of the relation between the geometry of the pattern and the mechanical response for a single bit, we study the memory of a bellows composed of 4 bits arranged in series. When these bits are decoupled, the system reduces to the Preisach model and we can drive the bellows to any of its 16 allowable states by following a prescribed sequence of compression and extension. Moreover, we show how to reasonably discriminate between states by measuring the system's total height and stiffness near equilibrium. In bellows with coupled bits, the interactions alter the energy landscape and enable geometrically-disallowed defective stable configurations; this produces a 64-state configuration space with a more complex transition pattern. Using empirical considerations of the mechanics, we analyze the hierarchical structure of the corresponding diagram, which includes Garden of Eden states and subgraphs. We highlight two irreversible transformations, shifting and erasure of the defect, leading to memory behaviors reminiscent of those observed with more complex glassy systems.

研究の動機と目的

• 多数の相互作用する要素を有する複雑な記憶システムを、単純でありながら豊かな挙動を示す機械的モデルに簡略化すること。
• 二安定性折り畳みユニットの幾何学的結合が、 Preisach モデルを越えた新たな記憶現象をどのように生成するかを調査すること。
• 相互作用がエネルギー障壁をどのように変化させ、孤立したユニットでは許可されない欠际の安定配置を可能にするかを明らかにすること。
• 幾何学的設計と機械的結合のみを用いて、複雑なガラス状記憶挙動を模倣する機械的システムを開発すること。
• 高さと剛性といった測定可能な機械的応答を用いて、システムの信頼性の高い状態識別を可能にすること。

提案手法

• 幾何パラメータによる可変な活性化エネルギーを有する二状態記憶ビットとして、単一のKreslingパターンを用いた折り畳みユニットの設計および製作。
• 4つのこのようなユニットを直列に接続して1次元のベルロウを構成し、隣接するビット間の制御された機械的結合を実現。
• システムの状態遷移をマップし、到達可能な構成を特定するために、圧縮および伸長サイクルを実験的に適用。
• 状態の明確な区別が可能な、平衡状態付近の全高および剛性を測定。
• 経験的力学を用いて遷移図を解析し、ガーデン・オブ・エデン状態や部分グラフを含む階層的構造を同定。
• 制御された荷重シーケンスを用いて、欠际のシフトや消去といった不可逆的プロセスを同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の二安定性折り畳みユニットを結合することで、システムのエネルギー障壁はどのように変化し、新たな安定配置が可能になるか？
• RQ2 結合されたシステムの挙動は、 Preisach モデルのような既知の記憶モデルにどの程度対応可能か？
• RQ3 ユニット間の相互作用により、幾何学的に禁止された欠际状態が結合系において出現する可能性はあるか？
• RQ4 欠际のシフトや消去といった不可逆的変換は、システムの状態遷移ダイナミクスにどのように現れるか？
• RQ5 平衡状態付近の高さと剛性の機械的測定値を用いて、システムの64通りの可能な状態を信頼性高く識別できるか？

主な発見

• 結合された折り畳みベルロウは、非結合系の16状態よりもはるかに大きな64状態の構成空間を示す。
• ビット間の相互作用により、複雑なエネルギー障壁が形成され、幾何学的に禁止された欠际の安定配置が可能になる。
• システムは、ガラス状態系に類似した不可逆的遷移（欠际のシフトや消去）を示す。
• 遷移図には、識別可能なガーデン・オブ・エデン状態や部分グラフを含む階層的構造が現れ、非自明なダイナミクスを示している。
• 全高と平衡状態付近の剛性の測定のみを用いて、状態の識別が可能であり、実験的にシステムの状態を特定できる。
• 非結合状態では、システムは Preisach モデルに還元され、所定の圧縮・伸長シーケンスにより16状態すべてを完全に制御可能となる。