[论文解读] Self-sensing metamaterials with odd micropolarity

Yangyang Chen, Xiaopeng Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2020

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用 6

一句话总结

本文提出一种自支撑的有源超材料，其包含压电元件与电子反馈，表现出奇微极弹性——非互易、非势能基的机械响应——实现了电功与机械功之间的双向能量转换。该系统的非厄米拓扑指标控制边界局域的振动模式，无需专用组件即可模拟分布式传感与驱动。

ABSTRACT

Materials made from active, living, or robotic components can display emergent properties arising from local sensing and computation. Yet, the implications of such self-sensing and feedback on the continuum mechanics of freestanding active solids remain largely unexplored. Here, we realize a freestanding active metamaterial with piezoelectric elements and electronic feedback loops that gives rise to an odd micropolar elasticity which does not follow from a potential energy. A non-reciprocal active modulus enables bending and shearing cycles that convert electrical energy into mechanical work, and vice versa. The sign of this elastic modulus is linked to a non-Hermitian topological index that controls the localization of vibrational modes to sample boundaries. Unlike biological organisms with specialized components, our active metamaterial built out of undifferentiated cells acts as a distributed machine capable of sensing changes in its own shape and performing work in response. Aside from the design of active metabeams and other autonomous structural components, our work provides guidelines to control the elasticity of active synthetic biofilaments and membranes.

研究动机与目标

• 探索集成本地传感与计算的自支撑有源固体的连续介质力学。
• 设计一种通过主动反馈表现出非势能基弹性的超材料，突破传统能量基弹性的限制。
• 建立非厄米拓扑与有源材料机械响应之间的联系。
• 在分布式的、无差别的有源单元系统中，实现自主形状传感与功输出。

提出的方法

• 将压电元件集成到自支撑超材料晶格中，以实现机电转换。
• 实施电子反馈回路，以产生非互易的主动弹性模量行为。
• 设计一种系统，其弹性模量的符号由非厄米拓扑指标决定。
• 利用反馈诱导奇微极弹性，打破时间反演对称性，实现能量转换循环。
• 在无差别的单元中采用分布式传感与驱动，以模拟类生物功能。
• 分析振动模式，确认由于拓扑保护导致模式在样品边界局域化。

实验结果

研究问题

• RQ1 有源反馈如何在超材料中产生无法从标量势能导出的非势能基弹性？
• RQ2 非厄米拓扑在控制机械响应与振动模式局域化中起什么作用？
• RQ3 一个分布式的、无差别的有源单元系统能否在无专用组件的情况下实现传感与驱动？
• RQ4 主动弹性模量的符号如何影响电功与机械功之间的能量转换？
• RQ5 在自支撑有源固体中，局部传感与计算如何引发涌现的机械行为？

主要发现

• 该有源超材料表现出奇微极弹性，其不依赖于势能，表明其具有非保守的机械行为。
• 非互易的主动弹性模量实现了电能与机械功之间的可逆转换。
• 弹性模量的符号由非厄米拓扑指标决定，该指标控制振动模式在样品边界局域化。
• 振动模式具有拓扑保护性，即使在无结构非对称性的情况下也局域于边缘。
• 该系统作为一个分布式机器，仅通过无差别的有源单元即可实现形状变化的传感与机械功的响应。
• 该设计为通过主动反馈控制合成生物丝与膜的弹性提供了框架。