Ultralight, strong, and self-reprogrammable mechanical metamaterials

超材料 控制重构 桁架 计算机科学 机器人 可扩展性 模块化设计 材料科学 结构工程 嵌入式系统 工程类 人工智能 光电子学 数据库 操作系统
作者
Christine Gregg,Damiana Catanoso,Olivia Formoso,Irina Kostitsyna,Megan Ochalek,Taiwo Olatunde,In Won Park,Frank Sebastianelli,Elizabeth M. Taylor,Greenfield Trinh,Kenneth Cheung
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:9 (86): eadi2746-eadi2746 被引量:58
标识
DOI:10.1126/scirobotics.adi2746
摘要

Versatile programmable materials have long been envisioned that can reconfigure themselves to adapt to changing use cases in adaptive infrastructure, space exploration, disaster response, and more. We introduce a robotic structural system as an implementation of programmable matter, with mechanical performance and scale on par with conventional high-performance materials and truss systems. Fiber-reinforced composite truss-like building blocks form strong, stiff, and lightweight lattice structures as mechanical metamaterials. Two types of mobile robots operate over the exterior surface and through the interior of the system, performing transport, placement, and reversible fastening using the intrinsic lattice periodicity for indexing and metrology. Leveraging programmable matter algorithms to achieve scalability in size and complexity, this system design enables robust collective automated assembly and reconfiguration of large structures with simple robots. We describe the system design and experimental results from a 256–unit cell assembly demonstration and lattice mechanical testing, as well as a demonstration of disassembly and reconfiguration. The assembled structural lattice material exhibits ultralight mass density (0.0103 grams per cubic centimeter) with high strength and stiffness for its weight ( 11.38 kilopascals and 1.1129 megapascals, respectively), a material performance realm appropriate for applications like space structures. With simple robots and structure, high mass-specific structural performance, and competitive throughput, this system demonstrates the potential for self-reconfiguring autonomous metamaterials for diverse applications.
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