Preobrazni mehki kirigami kompozitni sistem za snovanje gibkih zložljivih struktur in mehkih robotov

Vpeljemo novo vrsto tankih fleksibilnih struktur, ki se spontano preobrazijo iz ravninske konfiguracije v vnaprej predpsano 3D obliko. Na željeno 3D obliko vplivamo prek dveh različnih načinov: (1) razlikami v raztezkih ravninskih kompozitnih slojev, glede česar se zgledujemo po rasti bioloških tkiv, in (2) tehnike kirigamija, kjer napravimo zareze ali izrežemo material v skladu z določenim vzorcem. To dramatično poveča število dosegljivih 3D oblik. Edinstvena lastnost našega sistema je, da je povsem mehanski in popolnima fleksibilen, zaradi česar je ideal za izdelavo struktur, za katere je mišljeno, da se zložijo na manjši volumen v skladu z vnaprej predpisanim načinom. Ker so izdelane iz visoko elastičnih materialov, v zloženem stanju hranijo potencialno energijo, potrebna za razširitev na predpisano obliko. Motivacijo za našo idejo specifično prilagojenega materiala predstavljajo primeri iz narave, predvsem diferencialna rast, ki se pojavi v različnih vrstah vezivnih bioloških tkiv, kar privede do razlike raztezkov in notranjih napetosti. Slednje se relaksirajo prek prostorskih deformacijskih načinov, kar je posebej izrazito v primerih tankih struktur. V našem sistemu uporabimo kompozit tankih ravninskih slojev visoko elastičnega materiala in mednje vnesemo razlike v raztezkih. To sproži preobrazbo sprva ravninskega (2D) sistema v prehodno določeno 3D obliko, ko plasti izpustimo. Pudarjamo, da naš sistem ni omejen na dvosloje, saj lahko posebej manipuliramo in povežemo več elastičnih slojev. Naš sistem je v okviru mehkih preobraženih struktur izredno vsestranski zaradi velikega razpona parametrov izdelave, kot so geometrijske in snovske lastnosti, posameznih razteznih načinov, njihovih amplitude, orientacij, lokalnih povezav (po širini prereza) in globalne (povšinske) porazdelitve. Za točno napovedovanje površinske morfologije je potreben uporaben računski model. Združili bomo teoretični (šibko nelinearni problemi) in numerični pristop (močno nelinearni problemi) prek MKE. V obeh primerih bomo razbili svoje lastne modele. V primerih posebej kompleksnih odzivov pri velikoh deformacijah bomo uporabili napredne metodi, ki sledijo poti v faznem prostoru. Te bodo posevej ključne pri določevanje energijske krajine multistabilnih konfiguracij, ki so zaradi naprednih aplikacij za nas zelo zanimive. Rešili bomo tudi težji problem kjer je končna 3D oblika poznana, in mora algoritem poiskati zahtevane geometrijske parametre izdelave. Osnovo za reševanje inverznega problema snovanja predstavljajo generativne nevronske mreže, bolj točno načela generativne kontradiktorne mreže. Uspeh našega sistema bo vodil k enostavni izdelavi inženirskih struktur v širokem razponu velikosti, od dolžinske skale metra do mikrometra. Funkcionalnost našega koncepta bomo dokazali z izdelavo preprostega zložljivega šotora, ki je dovolj tog da nosi lastno težo in zagotavlja zavetje, obenem pa ga je mogoče postaviti v trenutku, saj v zloženem stanju hrani energijo. Omenjeni koncept bomo uporabili tudi za izdelavo mehkega plazečega robota, ki bo zmožen prečiti zrnato podlago, in mehkega robotskega plavalca – oba bosta izdelana iz enega ravinskega dela kompozita, na katera bomo natisnili aktuatorske elemente. Z natančno izbiro funkcionalnih lastnosti slojevitega kompozita (raztezni načini in kirigami rezi) bomo izdelalo periodično strukturo, katere valovno dolžino in amplitudo bo moč nadzirati. Ker nas ta struktura spominja na akustične ploše, ki jih najdemo npr. v studiih, bomo testirali zvočno disperzijo tega koncepta. Načrtujemo sodelovanje tako z domačimi kot tujimi ustanovami.