[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种由耦合的Kresling图案双稳态单元构成的一维折纸波纹管，通过几何设计的相互作用实现可调的记忆行为。通过将4个比特的激活能可调，系统实现了64种状态的配置空间，展现出类似玻璃态系统的复杂、不可逆的记忆动力学，包括缺陷迁移和缺陷消除转变，同时可通过高度和刚度测量实现状态判别。

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.

研究动机与目标

• 将具有多个相互作用元件的复杂记忆系统简化为一个简单但行为丰富的机械模型。
• 研究双稳态折纸单元的几何耦合如何产生超越 Preisach 模型的涌现记忆现象。
• 探索相互作用如何改变能量景观，从而实现孤立单元中不允许的缺陷稳定构型。
• 开发一种仅通过几何设计和机械耦合即可模拟复杂玻璃态记忆行为的机械系统。
• 通过可测量的机械响应（如高度和刚度）实现系统中可靠的状态判别。

提出的方法

• 设计并制造单个Kresling图案折纸单元作为具有可调激活能的双态记忆比特，通过几何参数调节。
• 将四个此类单元串联组装成一维波纹管，实现相邻比特之间的可控机械耦合。
• 施加实验性压缩和拉伸循环，以映射系统的状态转换并识别可达构型。
• 在平衡附近测量总高度和刚度，以经验性地区分不同系统状态。
• 使用经验力学分析所得的转换图，识别分层结构，包括“天堂之园”状态和子图。
• 通过受控加载序列表征不可逆过程，如缺陷迁移和消除。

实验结果

研究问题

• RQ1 耦合多个双稳态折纸单元如何改变系统的能量景观，并实现新的稳定构型？
• RQ2 该耦合系统的性能在多大程度上可映射到已知的记忆模型（如 Preisach 模型）？
• RQ3 由于单元间相互作用，几何上被禁止的缺陷状态是否可能在耦合系统中出现？
• RQ4 如缺陷迁移和消除等不可逆转变如何在系统状态转换动力学中表现？
• RQ5 仅通过在平衡附近测量的高度和刚度能否可靠地区分系统64种可能状态？

主要发现

• 耦合的折纸波纹管展现出64种状态的配置空间，远大于解耦系统的16种状态。
• 比特之间的相互作用创造了复杂的能量景观，支持几何上被禁止的缺陷稳定构型。
• 该系统表现出如玻璃态系统中常见的不可逆转换，如缺陷迁移和消除。
• 转换图揭示了具有可识别的“天堂之园”状态和子图的分层结构，表明存在非平凡的动力学。
• 仅通过在平衡附近的总高度和刚度测量即可实现状态判别，从而实现实验中对系统状态的识别。
• 当解耦时，系统退化为 Preisach 模型，且可通过预设的压缩-拉伸序列完全控制全部16种状态。