[論文レビュー] Topological Memory and Hysteresis in Ice-like Mechanical Metamaterials

Carl Merrigan, Yair Shokef+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2020

Pickering emulsions and particle stabilization参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、人工スピンアイスにインspiredされた機械的メタマテリアルを提案する。2つの安定状態を持つ正方形セルを用い、機械的ヒステリシス素子（mechanical hysterons）として機能させ、曲率と伝播速度を調整可能なトポロジカルなドメイン壁を形成する。テクスチャード周期的境界駆動の下で、システムは動的ヒステリシスと複数の明確に異なる定常状態を示し、初期構成のトポロジーに依存する新しい形式のトポロジカルメモリを実証する。

ABSTRACT

Intentionally incorporating frustration into mechanical metamaterials may enable complex functionalities. Within similar engineered magnetic systems, known as artificial spin ice, frustration engenders real-space topological structures whose dynamics determine the collective kinetics and response. We present a mechanical analogue of artificial spin ice built up from bistable square cells that act as simple mechanical hysterons. These unit cells deform spontaneously, so that the overall metamaterial contains competing local ground-state orientations, which are separated by locally-stressed domain walls that begin and end on the edges of the metamaterial. Tuning the stiffness of elements in the unit cell, we can control the characteristic curvature and propagation speed of these domain walls. Under textured, cyclic driving from the boundaries, the system exhibits dynamic hysteresis. Moreover, when driving the system from its boundary we can also observe multiple distinct steady states. These complex, multiple hysteresis cycles are a novel feature of our mechanical spin-ice analogue, which relies on the continuous nature of the elastic network as well on the ability to drive the system from its boundary in a textured way. This mechanical metamaterial exhibits a novel memory of the topology of its initial condition, and can thus have potential application in the development of a mechanical memory storage in materials.

研究の動機と目的

• 制御されたフラストレーションを示す機械的アナログとしての人工スピンアイスを構築し、制御可能なトポロジカルなメモリを実現すること。
• 連続的な弾性ネットワーク内での局所的基底状態の競合とドメイン壁が、複雑なヒステリシス行動をどのように生じさせるかを調査すること。
• 境界駆動によるテクスチャードローディングが複数の定常状態と動的ヒステリシスサイクルを誘発する役割を調査すること。
• システムのメモリが、単に局所的状態ではなく、初期構成のトポロジーにエンコードされていることを実証すること。

提案手法

• メタマテリアルは、自発的に変形する2つの安定状態を持つ正方形セルから構成され、局所的基底状態の向きに競合する傾向を示す。
• 異なる局所的向きの領域の間にはドメイン壁が形成され、局所的応力のため、材料の端に到達して終了する。
• 内部要素の剛性を調整することで、ドメイン壁の曲率と伝播速度を制御する。
• 周期的な境界駆動を、テクスチャードローディングプロトコルを用いて行い、動的応答を誘発する。
• ヒステリシスループの観察と、明確に区別できる定常状態の特定を通じて、応答を分析する。
• 初期条件と境界プロトコルに対するシステムの応答を追跡することで、トポロジカルメモリを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期構成のトポロジーが、周期的境界駆動下でのシステムのメモリと応答にどのように影響を与えるか？
• RQ2 調整可能なドメイン壁特性が、動的ヒステリシスと複数の定常状態の実現に果たす役割は何か？
• RQ3 局所的二重安定性を有する連続的な弾性ネットワークが、スピンアイス系と類似したトポロジカルメモリをサポートできるか？
• RQ4 テクスチャード境界駆動が、機械的システムに複雑で複数のヒステリシスサイクルをどのようにもたらすか？

主な発見

• 周期的境界ローディング下で、機械的メタマテリアルは動的ヒステリシスを示し、システムのトポロジカル構造に起因する明確なヒステリシスループが観測された。
• 境界からテクスチャードな方法で駆動された際、複数の定常状態が観測され、複雑なメモリ行動を示した。
• ユニットセル要素の剛性を調整することで、ドメイン壁の曲率と伝播速度を制御でき、プログラマブルな機械的応答が可能になった。
• システムのメモリは、局所的状態にではなく、初期構成のグローバルなトポロジー、特にドメイン壁の配置にエンコードされている。
• 複数のヒステリシスサイクルの出現は、弾性ネットワークの連続性と境界駆動によるテクスチャード性のおかげで生じる、新しい特徴である。