Project

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Programmable Hybrid Architected Materials

English title Programmable Hybrid Architected Materials
Applicant Rafsanjani Abbasi Ahmad
Number 174326
Funding scheme Return CH Advanced Postdoc.Mobility
Research institution Departement Materialwissenschaft ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Mechanical Engineering
Start/End 01.03.2018 - 28.02.2019
Approved amount 113'200.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Mechanical Engineering
Material Sciences

Keywords (9)

responsive materials; shape transformation; architected materials; programmable materials; mechanical metamaterials; functional materials; 3D printing; additive manufacturing; complex materials

Lay Summary (French)

Lead
La conception et la fabrication de matériaux architecturés, capables de changer de forme de façon programmée, sont deux éléments essentiels à leur développement et leur application dans des domaines aussi variés que les structures déployables, les robots flexibles, les microprocesseurs, les systèmes à encapsulation réversible et les dispositifs médicaux. Le comportement mécanique de ces matériaux architecturés peut être programmé à partir d’instabilités élastiques présentes dans leur architecture. Ces instabilités peuvent être aussi bien être déclenchées par l’application de déformations élastiques que par l’exposition de ces matériaux à des stimuli qui proviennent de l’environnement comme la moisissure, les solvants, la température ou l’intensité lumineuse.
Lay summary

L’idée première de ce projet est de concevoir des matériaux architecturés hybrides capable de réaliser des fonctionnalités désirées. En combinant les instabilités élastiques aux stimuli environnementaux, il est possible de concevoir des matériaux responsifs et reconfigurables, capables de démontrer de larges déformations et de rapides déploiements. Afin d’atteindre cet objectif, une bibliothèque d’éléments 2D et 3D, aptes à la conception de matériaux architecturés possédant des propriétés mécaniques adaptatives, sera élaborée. La base de données sera construite en s’inspirant des matériaux composites et des principes de conceptions de l’origami et du kirigami. En variant la composition locale de l’architecture, l’orientation des éléments structuraux, ainsi qu’en introduisant une architecture hiérarchique et des gradients structuraux, il sera possible de couvrir une large partie du domaine de design des matériaux architecturés. Afin d’améliorer la fonctionnalité de ces matériaux, leur comportement mécanique sera prédit par des simulations numériques utilisant la méthode des éléments finis et des algorithmes d’optimisation. Par la suite, des prototypes seront fabriqués via des méthodes de fabrication additives avancées et leur performance sera testée expérimentalement. En particulier, la récente technologie d’impression 3D multi-matériaux, développée par le laboratoire Complex Materials, sera adaptée et mise en pratique pour concevoir de nouveaux matériaux. Les étapes suivantes exploreront le remplacement du déclencheur mécanique par un mécanisme responsif aux stimuli, comme l’expansion différentielle, afin de créer des dispositifs fonctionnels qui interagissent et s’adaptent à l’environnement. L’originalité de la recherche repose sur le fait que l’interchangeabilité entre les larges déformations induites par l’instabilité élastique et l’actuation par la réponse à des stimuli étend de façon substantiel le domaine de design des matériaux architecturés et rend possible l’accomplissement de fonctions complexes. Finalement, puisque que le comportement des matériaux architecturés est indépendant de l’échelle, la stratégie proposée peut être utilisée pour fabriquer des structures reconfigurables sur un large spectre de dimensions, variant d’architectures macroscopiques transformables aux structures nanoscopiques reconfigurables.

Direct link to Lay Summary Last update: 17.11.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Guided transition waves in multistable mechanical metamaterials
Jin Lishuai, Khajehtourian Romik, Mueller Jochen, Rafsanjani Ahmad, Tournat Vincent, Bertoldi Katia, Kochmann Dennis M. (2020), Guided transition waves in multistable mechanical metamaterials, in Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(5), 2319-2325.
Programmable Hierarchical Kirigami
An Ning, Domel August G., Zhou Jinxiong, Rafsanjani Ahmad, Bertoldi Katia (2019), Programmable Hierarchical Kirigami, in Advanced Functional Materials, 1906711-1906711.
Programming soft robots with flexible mechanical metamaterials
Rafsanjani Ahmad, Bertoldi Katia, Studart André R. (2019), Programming soft robots with flexible mechanical metamaterials, in Science Robotics, 4(29), eaav7874-eaav7874.

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
164648 Architected Materials for Active Interfacial Friction Control 01.05.2016 Advanced Postdoc.Mobility

Abstract

Design and fabrication of architected materials with programmable shape transformations are central to development of novel functional materials for deployable structures, soft robots, micro devices, reversible encapsulation systems and medical devices. The mechanical response of architected materials can be programmed by harnessing the elastic instabilities embedded in the architecture of their unit cell and can be simply triggered by applying elastic deformations or exposing them to environmental stimuli such as moisture, solvents, temperature or light. In this project, the core idea is to design hybrid architected materials which exploit both elastic instabilities and environmental stimuli to achieve desired functionalities. This combination allows us to design responsive and reconfigurable materials that can reach large deformations and faster actuation. To achieve this goal, a library of 2D and 3D building blocks will be identified for rational design of architected materials with tunable mechanical properties by taking advantage of the vast design space accessible by programming the local composition and particle orientation of composites, introducing structural and compositional gradients, utilizing intricate hierarchical geometric motifs and getting inspiration from origami/kirigami design principles. Along this route, finite element simulations and optimization algorithms will be exploited to predict the response of the materials and improve their functionality. Next, the performance and the response of the designed structures will be identified by conducting table-top experiments on proof-of-concept prototypes fabricated using advanced additive manufacturing techniques. In particular, we explore the state-of-the-art multi-material 3D printing technologies developed in Complex Materials lab and customize these techniques to proposed design concepts. In next steps, the mechanical trigger will be substituted by a stimuli-responsive mechanism e.g. differential swelling to create functional devices which can interact and adapt to changes in their surrounding environment.
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