[논문 리뷰] The delicate memory structure of coupled origami switches

Théo Jules, Austin Reid외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 15.

Advanced Materials and Mechanics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기하학적으로 설계된 상호작용을 통해 조정 가능한 기억 행동을 보이는 결합된 Kresling 패tern을 가진 이중 안정성 단위로 구성된 일차원 옹기 벨로우스를 제안한다. 조절 가능한 활성화 에너지를 가진 4비트를 연결함으로써, 시스템은 64상태 구성공간을 가지며, 유리체 시스템과 유사한 복잡하고 비가역적인 기억 역학을 나타내며, 이는 이동 및 결함 제거 전이를 포함한다. 높이와 경도 측정을 통해 상태 식별이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 많은 상호작용 요소를 가진 복잡한 기억 시스템을 단순하면서도 풍부한 거동을 보이는 기계적 모델로 단순화하기 위해.
• 이중 안정성 옹기 단위의 기하학적 결합이 Preisach 모델을 초월한 새로운 기억 현상을 어떻게 유도하는지 조사하기 위해.
• 서로 다른 상호작용이 에너지 장을 어떻게 변화시켜 고립된 단위에서는 허용되지 않는 결함이 있는 안정적 구성이 가능하게 하는지 탐구하기 위해.
• 기하학적 설계와 기계적 결합만을 사용하여 복잡한 유리체 기억 행동을 모방하는 기계적 시스템을 개발하기 위해.
• 높이와 경도와 같은 측정 가능한 기계적 반응을 통해 시스템의 신뢰성 있는 상태 식별을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 기하학적 매개변수를 통해 활성화 에너지를 조절할 수 있는 이중 안정성 단위로서의 단일 Kresling 패턴 옹기 단위를 설계 및 제작하여 두 상태 기억 비트로 활용한다.
• 이러한 단위들을 직렬로 연결하여 일차원 벨로우스를 구성함으로써 인접한 비트 간에 제어 가능한 기계적 결합을 가능하게 한다.
• 시스템의 상태 전이를 매핑하고 도달 가능한 구성 상태를 식별하기 위해 압축 및 인장 사이클을 적용한다.
• 균형 상태 근처에서 총 높이와 경도를 측정하여 다양한 시스템 상태를 경험적으로 구분한다.
• 경험적 역학을 사용하여 전이도를 분석하고, 가든 오브 에덴 상태와 하위그래프를 포함한 계층적 구조를 식별한다.
• 통제된 하중 순서를 통해 결함 이동 및 제거와 같은 비가역적 과정을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 이중 안정성 옹기 단위를 결합함으로써 시스템의 에너지 장은 어떻게 변화하고, 새로운 안정적 구성이 가능하게 되는가?
• RQ2 결합된 시스템의 거동는 Preisach 모델과 같은 기존 기억 모델에 얼마나 잘 대응되는가?
• RQ3 상호작용으로 인해 고립된 단위에서는 허용되지 않는 기하학적으로 금지된 결함 상태가 결합된 시스템에서 나타날 수 있는가?
• RQ4 결함 이동 및 제거와 같은 비가역적 전환이 시스템의 상태 전이 역학에서 어떻게 나타나는가?
• RQ5 균형 상태 근처에서의 높이와 경도 측정을 통해 시스템의 64가지 가능한 상태를 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 결합된 옹기 벨로우스는 분리된 시스템의 16상태보다 훨씬 큰 64상태 구성공간을 나타낸다.
• 비트 간의 상호작용은 기하학적으로 금지된 결함이 있는 안정적 구성 상태를 지지하는 복잡한 에너지 장을 생성한다.
• 시스템은 결함 이동 및 제거와 같은 비가역적 전이를 나타내며, 이는 유리체 시스템의 기억 행동과 유사하다.
• 전이도는 식별 가능한 가든 오브 에덴 상태와 하위그래프를 포함한 계층적 구조를 보이며, 이는 비트란 역학을 시사한다.
• 균형 상태 근처에서의 총 높이와 경도 측정만으로도 시스템 상태 식별이 가능하여 실험적 상태 식별이 가능하다.
• 분리된 상태에서는 시스템이 Preisach 모델로 축소되며, 지정된 압축-인장 순서를 통해 모든 16개 상태를 완전히 제어할 수 있다.