通过基于梯度的设计和灰度数字光处理技术，软质超材料实现了极端的非线性及线性化响应

《Extreme Mechanics Letters》：Extremized nonlinear and linearized responses in soft metamaterials enabled by gradient-based design and grayscale digital light processing

　　

Dylan Joralmon|Ryan Alberdi|Craig M. Hamel|Lucas Gallup

摘要

在这项研究中，我们开发了一种基于梯度的设计方法，该方法利用灰度数字光处理（DLP）3D打印技术来最大化软超材料的非线性及线性化响应特性。软超材料通过工程化的几何不稳定性实现可编程的形态变化。灰度DLP技术通过调整单张灰度图像中的光强度，在像素级别上调控材料的局部机械性能，从而打开了一个极其广阔的设计空间。为了有效利用这一设计空间，我们建立了局部光强度值与表征软超材料行为的全局参数之间的映射关系。这些映射关系的实现依赖于基于信赖域求解器的鲁棒且可微分的非线性有限元仿真算法。随后通过求解一个受偏微分方程（PDE）约束的优化问题来反推这些映射关系，生成能够使打印部件在不同区域具有不同硬度和柔性的光强度分布。研究表明，优化超材料结构中软硬相的分布能够显著改变其屈曲和自接触形态，从而实现极化的非线性压缩效应及线性振动响应。最终，将优化后的光强度分布转换为灰度图像，并直接用于打印软超材料样品，结果发现模拟与实际测量得到的变形状态下材料的屈曲及自接触行为高度吻合。