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Bio-inspired mechanical metamaterial with ultrahigh load-bearing capacity for energy dissipation

超材料 消散 材料科学 限制 阻尼器 能量(信号处理) 屈曲 结构工程 机械工程 复合材料 光电子学 工程类 计算机科学 物理 热力学 量子力学
作者
Sen Yan,Wenlong Liu,Xiaojun Tan,Zhiqiang Meng,Weijia Luo,Hang Jin,Yongzheng Wen,Jingbo Sun,Lingling Wu,Ji Zhou
出处
期刊:Materials Today [Elsevier]
卷期号:77: 11-18 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2024.06.003
摘要

Mechanical metamaterials with energy-dissipating properties can provide impact mitigation in the field of engineering. However, current energy-dissipating metamaterials frequently face a tradeoff between energy-dissipation performance and load-bearing capability, severely limiting their practicality in high-intensity impact scenarios. Here, inspired by mushroom gills, we propose a mechanism for the snap-through buckling induced by geometric frustration, and we construct a snap-through metamaterial (STM) to address this problem. By analyzing the bifurcation buckling phenomenon, the STM is improved with higher energy-dissipation efficiency. Experiments demonstrate that the STM adaptively dissipates energy and mitigates impacts, achieving up to 33% reduction, in a reusable, self-recoverable, and rate-independent manner, leading to comprehensive performance. Employing a preloading strategy further enhances its impact mitigation capability as required. Notably, the STM exhibits a remarkable load-bearing capacity of up to 55 times higher than those of previous designs. The proposed design strategy of STMs paves the way for the development of interaction-based metamaterials, enabling applications in advanced dampers, mechanical waveguides, soft robotics, and low-frequency energy harvesters.
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