[论文解读] Programming active metamaterials using topological defects

Daniel J. Pearce, S. Gat+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2020

Advanced Materials and Mechanics被引用 4

一句话总结

本文提出通过在力产生组件中引入拓扑缺陷来编程主动超材料，以控制宏观形状变化。通过操控薄型主动片材中的螺旋缺陷，作者展示了可调的局部高斯曲率以及厚度相关的形态转变，该结果在肌动蛋白-肌球蛋白凝胶中得到实验验证，为自主软体机器人的设计提供了新原则。

ABSTRACT

Active metamaterials are able to modify their own shape, providing an exciting range of potential applications. Typically, an active metamaterial contains components able to generate force dipoles, the arrangement of which determines its macroscopic behaviour. In order to fully harness the power of these materials, we must understand how macroscopic morphological changes are determined by the specific orientations and positions of the active components. We show that by imposing topological defects in the arrangements of the force generating components, a thin active sheet is able to realise a range of morphologies. By changing the slope angle, a single spiral defect can lead to positive, negative or zero local Gaussian curvature. In addition, we predict a morphological transition that is controlled by the thickness of the sheet. As a proof of principle, we confirm the existence of this transition by performing an experiment on reconstituted actomyosin gels. Finally, we apply our theoretical analysis to surfaces with different topology. These principles can be applied in the design of programmable active mechanical metamaterials that form the basis for autonomous soft robots.

研究动机与目标

• 理解活性组分的排列如何决定主动超材料的宏观形态变化。
• 探讨力偶极子排列中的拓扑缺陷是否可作为可编程形态变换的设计原则。
• 研究片材厚度在触发主动片材形态转变中的作用。
• 利用重构的肌动蛋白-肌球蛋白凝胶对理论预测进行实验验证。
• 将该框架扩展至具有不同拓扑结构的表面，以提升设计的普适性。

提出的方法

• 对具有空间排列力产生组件的薄型主动片材进行建模，这些组件产生力偶极子。
• 在力偶极子排列中引入拓扑缺陷——特别是螺旋缺陷——以控制局部曲率。
• 利用几何力学将螺旋缺陷的倾角与局部高斯曲率（正、负或零）关联起来。
• 基于能量最小化和弹性稳定性，推导出与厚度相关的形态转变判据。
• 在重构的肌动蛋白-肌球蛋白凝胶上进行实验，以观察并确认预测的形态转变。
• 将理论框架应用于具有不同拓扑结构的表面，以评估其通用性与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 活性组分排列中的拓扑缺陷如何影响主动超材料的宏观形状？
• RQ2 通过调节螺旋缺陷的倾角，能否实现对主动片材局部高斯曲率的调控？
• RQ3 片材厚度在决定主动片材形态状态方面起什么作用？
• RQ4 是否存在与厚度相关的形态转变？该转变是否可在生物活性材料中实验观测到？
• RQ5 该理论框架能否推广至具有非平凡拓扑的表面？

主要发现

• 单个螺旋缺陷可根据其倾角产生正、负或零的局部高斯曲率。
• 预测片材厚度变化将引发形态转变，存在一个临界厚度，用以区分不同的形状区域。
• 在重构的肌动蛋白-肌球蛋白凝胶中实验验证了预测的厚度相关形态转变。
• 理论分析表明，拓扑缺陷为在主动片材中编程复杂形态提供了稳健机制。
• 该框架可扩展至具有不同拓扑结构的表面，从而实现可编程机械超材料的设计。
• 研究结果为利用活性组分的拓扑控制工程自主软体机器人奠定了基础。