Magneto-sensitive bistable soft actuators: Experiments, simulations, and applications

双稳态 执行机构 材料科学 电磁铁 磁场 梁(结构) 磁电机 电压 机械 磁铁 机械工程 光电子学 物理 光学 电气工程 工程类 量子力学 医学 替代医学 病理
作者
Xue Hou,Yin Liu,Guangchao Wan,Zhe Xü,Chunsheng Wen,Hui Yu,John X. J. Zhang,Jianbao Li,Zi Chen
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:113 (22) 被引量:29
标识
DOI:10.1063/1.5062490
摘要

Bistable structures featuring two stable states have been widely applied in designing fast and high-force-output actuators under various types of stimuli, such as mechanical force, swelling, thermal expansion, and so on. In this paper, we designed a magneto-actuated mechanism to realize the reversible shape transition between two curved stable configurations of a buckled beam using magneto actuation. The beam is composed of a silicone elastomer matrix with embedded micro-sized iron particles. The magnetic response of these iron particles endows the composite beam with the ability to snap from one stable shape to the other when the magnitude of the surrounding magnetic field exceeds the threshold value. By separately analyzing the electric-magnetic field and the magnetic-mechanical field, we formulate a simple and efficient computational method to numerically predict the critical current on the onset of snap-through. The computational and experimental critical currents show good agreement for different material and geometrical parameters, including the thickness of the beams, iron particle mixing ratios of the material, and the distances of the beam to the electromagnet. The proof-of-concept design is demonstrated to be efficient in the application of a magneto-responsive soft switch and a catapult for ejecting small objects, providing new insights into designing contactless, low-voltage-actuated bistable structures.
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