Design of Large Sequential Conformational Change in Mechanical Networks
从机器人的复杂运动到血红蛋白的氧结合，许多机械系统的功能取决于其组件的大规模协调运动。这种运动产生于物理相互作用的网络，其形式是在组成元素之间传递力的链接。然而，由于相互作用的数量和非线性，具体运动的原则性设计变得困难。在这里，我们将机械系统建模为由关节（节点）连接的刚性键（边）的链接，并使用动力系统理论的概念制定一个简单但强大的框架来设计完全非线性协调运动。我们从设计小模块中的有限和无穷小运动的原则开始，并表明每个模块是一个一维的地图之间的距离对节点。接下来，我们将组合模块的行为表示为该映射的迭代，并设计其几何形状反映映射的不动点，极限环和混沌的网络。我们使用这种表示来设计不同的折叠序列，从一个可部署的网络和孤立子，分支网络作为一个机械与门。最后，我们设计了整个网络曲率的大变化，并从激光切割的丙烯酸，折纸和3D打印材料构建物理网络，以展示该框架在设计变形超材料和结构的完整构象轨迹方面的潜力和多功能性。
2019-06-20 cond-mat.soft
The allosteric lever: towards a principle of specific allosteric response
针对变构作用缺乏统一定量原理的问题，本文基于弹性网络模型提出“变构杠杆”模式耦合机制，解释特异性、非线性和非互易的远端响应，并用于预测蛋白质已知变构位点。
2025-05-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Bistable Auxetic Mechanical Metamaterials Inspired by Ancient Geometric Motifs
弹性材料在拉伸时变得更厚而不是更薄，表现出不寻常的负泊松比，非常适合设计形状转换超材料。然而，目前的拉胀设计通常是单稳态的，并且在负载移除时不能保持转化的形状。在这里，古代几何图案排列在正方形和三角形网格的启发，我们介绍了一类可切换的建筑材料表现出同时的膨胀性和结构双稳态。材料的概念是通过在橡胶片上穿孔各种切割图案来实验性地实现的，从而创建了与柔性铰链连接的旋转单元的网络。超材料的性能通过力学测试进行评估，并通过一组连贯的有限元模拟进行准确预测。一组丰富的力学现象的讨论如下阐明的主要设计原则，管理双稳态。
2016-12-18 cond-mat.soft
Designing the pressure-dependent shear modulus using tessellated granular metamaterials
本文通过连接多个填充颗粒单元格构建镶嵌颗粒超材料，在无颗粒重排条件下实现了剪切模量随压力增加或减少的设计，为软材料力学性质定制提供了新平台。
2023-09-11 cond-mat.soft
Flexel ecosystem: simulating mechanical systems from entities with arbitrarily complex mechanical responses
AMOLF, Amsterdam, The Netherlands（AMOLF）；Advanced Research Center for Nanolithography, Amsterdam, The Netherlands（阿姆斯特丹先进纳米光刻研究中心）；Van der Waals–Zeeman Institute, Institute of Physics, Universiteit van Amsterdam, Amsterdam, The Netherlands（阿姆斯特丹大学物理学院范德瓦耳斯-塞曼研究所）；Huygens-Kamerlingh Onnes Lab, Leiden Institute of Physics, Universiteit Leiden, The Netherlands（莱顿大学物理学院莱顿物理研究所休厄斯-卡末林·昂内斯实验室）；Institute for Complex Molecular Systems and Department of Mechanical Engineering, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, The Netherlands（埃因霍温理工大学复杂分子系统研究所与机械工程系）
针对非线性力学结构模拟成本高、操作繁琐的问题，提出引入flexel单元的建模框架，可少量单元模拟多种复杂系统，配套Python库助力非线性力学结构的设计与研究。
2025-10-22 cond-mat.soft
Controlling the configuration space topology of mechanisms
连杆机构是由刚性杆和自由旋转关节构成的机械装置，研究它们在工程中的实用性和作为许多物理系统的数学理想化。最近，物理学界重新对设计用于执行某些任务的连接产生了兴趣。我们描述了一种方法来设计的拓扑结构的配置空间的连杆机构，首先确定的流形的临界点，然后在这样的关键配置扰动。然后，我们证明了我们的程序，通过设计一个机制门的传播孤子在凯恩-Lubensky链的相互连接的转子。
2022-05-20 cond-mat.soft
Curving Origami with Mechanical Frustration
我们研究的三维平衡形状的部署手风琴般的折纸，由一系列的平行折痕交叉的中央纵向折痕装饰的弹性片材形成的外壳。令人惊讶的是，虽然压印折痕网络没有表现出测地线曲率，但新兴结构的特征在于由变形的中心折叠产生的有效曲率。此外，有限元分析和手工制作的聚酯薄膜折纸都显示出压印折痕网络的尺寸和表观曲率之间的稳健经验关系。这种几何关系的详细检查表明存在三种典型的弹性形变，这反过来又导致三种不同类型的形态发生。我们描述了相应的折痕网络变形的运动学，并确定其相图。利用折痕刚度和折痕网络变形的运动学之间的竞争所造成的挫折，我们提供了一种新的工具，用于设计弯曲的折纸结构的强几何属性的约束。
2021-02-07 cond-mat.soft
Designing recipes for auxetic behaviour of 2-d lattices
本文提出了一个分析模型来研究由非均匀截面弹性梁组成的二维晶格的力学。我们的方法是基于减少一个晶格的一组线性和扭转弹簧的作用下的一个单一的梁，从而允许通过传递矩阵法来解决这个问题。我们展示了一个非平凡的设计空间区域，该区域产生的应变大于触发弹性不稳定所需的拉胀特性的材料。计算了从正泊松比过渡到负泊松比所需的临界载荷。此外，我们提出了晶格参数，提供方向相关的变形模式提供了很大的可剪裁的有限尺寸晶格的机械性能。不仅是我们的分析公式与有限元模拟结果吻合良好，但它提供了一个洞察结构和弹性不稳定性之间的相互作用的作用，并给出了一个有效的方法来追求的问题，在机械超材料领域的合理设计。
2016-02-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Nonlinear force response of modular lattice-based metamaterials
The University of Chicago（芝加哥大学）；University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
该研究针对模块化晶格超材料，利用其非线性屈曲行为，通过串联单元获得单个单元不具备的力响应，发现其循环载荷下的训练行为，为非线性应力响应设计提供新方向。
2026-09-02 cond-mat.soft
Analytical model and experimental validation for nonlinear mechanical response of aspirated elastic shells
本文提出一种基于物理的解析模型，利用拉伸模量$K$与无量纲比率$δ$描述吸入弹性壳的非线性力学响应，并在微/宏观尺度实验中验证，为软薄壳力学表征及活细胞探测与软材料设计提供了准确可扩展的框架。
2025-04-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanical prions: Self-assembling microstructures
本文提出一种由可发生复杂构象变化的简单机械结构构成的机械朊病毒模型，并通过原型实验验证，为利用和调控自然及人工系统中的朊病毒属性提供设计框架。
2025-01-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Demonstration of Decentralized, Physics-Driven Learning
在典型的人工神经网络中，神经元根据中央处理器的全局计算进行调整，但在大脑中，神经元和突触基于局部信息进行自我调整。对比学习算法最近被提出来训练物理系统，例如流体、机械或电气网络，以根据局部进化规则执行机器学习任务。然而，到目前为止，这样的系统只在计算机上实现，因为创建基于它们自己对两组全局边界条件的响应而自主进化的元素的工程挑战。在这里，我们介绍并实现了一个物理驱动的对比学习方案的可变电阻器的网络，使用电路来本地比较两个相同的网络受到两组不同的边界条件的响应。利用这一创新，我们的系统可以有效地自我训练，优化其电阻值，而无需使用中央处理器或外部信息存储。一旦系统被训练用于指定的变构、回归或分类任务，则随后通过物理命令快速且自动地执行该任务，以响应于给定的电压输入来最小化功率耗散。我们证明，与典型的计算机不同，这种学习系统由于其分散学习而对极端损坏（以及制造缺陷）具有鲁棒性。因此，我们的双网络方法很容易扩展到非常大或非线性的网络，其分布式特性将是一个巨大的优势;一个只有500条边的实验室网络已经超过了它的计算机网络。
2022-06-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Wallpaper Group-Based Mechanical Metamaterials: Dataset Including Mechanical Responses
本文构建了一个涵盖全部17个壁纸对称群、包含1,020种二维微结构和12,240条有限元加载轨迹的力学超材料数据集，用于支持代理模型开发、对称性-性能关系研究及图案变换中的对称性破缺分析。
2025-09-21 cond-mat.soft physics.comp-ph
Designing patchy interactions to self-assemble arbitrary structures
纳米技术的基本目标之一是利用分子之间的选择性和定向相互作用来设计自组装成所需结构的粒子，从衣壳到纳米簇，再到具有目标特性（例如光学，机械等）的完全形成的晶体。在这里，我们提供了一个通用的框架，将自组装胶体晶体的反问题转化为一个布尔可满足性问题，可以找到解决方案的数值。给定一个参考结构和所需数量的组件，我们的方法产生的目标结构是一个能量最小的设计，也允许排除对应于竞争结构的解决方案。我们证明了我们的方法的有效性，通过设计模型粒子，自发成核里程碑结构，如立方金刚石，烧绿石和笼形晶格。
2020-09-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Mechanical non-reciprocity programmed by shear jamming in soft composite solids
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Max Planck Institute for Intelligent Systems（马克斯·普朗克智能系统研究所）
针对连续软固体缺乏内禀非互易力学特性的问题，本文引入颗粒物理剪切堵塞转变设计软复合材料，实现了可调的静动态非互易力学响应，为非互易物质设计提供新范式。
2025-08-22 cond-mat.soft physics.app-ph
Quasicrystal kirigami
Kirigami是一种在薄片上引入切口以实现接合和部署的艺术，它已经成为一类具有不寻常特性的新型机械超材料的灵感来源。在这里，我们补充使用的周期性平铺图案kirigami设计表明，准晶体也可以作为设计可部署kirigami结构的基础，并分析这些非周期kirigami结构的几何，拓扑和力学性能。
2022-04-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
In-silico modeling of the micromechanics of fibrous scaffolds and stiffness sensing by cells
本研究通过离散网络与有限元模型，从宏观单轴拉伸和微观细胞力加载两种条件探究纤维支架力学特性，发现宏观与细胞感知的力学性能存在差距，为组织工程支架设计提供参考。
2021-12-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Electro-mechanically guided growth and patterns
几个实验已经证明了在许多生物组织和水凝胶中存在机电效应，以及其对生长、迁移和斑图形成的实际影响。在这里，为了模拟这些相互作用，并捕捉一些生长现象在自然界中发现，我们扩展体积增长理论占电弹性耦合。基于乘法分解，我们给出了电弹性固体在外场和电场作用下各向同性生长和斑图形成的一般分析。作为一个例子，我们处理的情况下，管状结构来说明一个机电引导的轴向应变和径向电压的影响下的增长。我们的数值计算结果表明，高电压可以提高残余应力分布的不均匀性，并诱导拉伸屈曲，而低电压可以延迟的发病的扭曲形状，也可以产生更复杂的形态。在可控范围内，轴向拉伸拉伸显示出稳定管并帮助形成更复杂的3D图案的能力，而压缩拉伸则促进不稳定性。外加电压和外部轴向应变对引导生长和斑图形成都有显著影响。我们的建模提供了一个基本的工具，用于分析电弹性材料的生长，这可能是有用的设计一个模式处方策略或增长自组装工程。
2020-07-06 cond-mat.soft nlin.PS
Cross-sectional performance of hollow square prisms with rounded edges
空心截面柱具有较高的抗屈曲能力和抗弯刚度，是一种力学性能优越的结构形式。柱的力学性能受截面形状的强烈影响。因此，当评估柱抵抗外力的稳定性时，有必要精确地再现横截面形状。在这项研究中，我们提出了一个数学方法来描述一个多边形截面的圆角边缘和顶点。该数学模型对于分析植物的力学性质和设计仿植物功能结构是非常有用的，因为实际植物茎和茎的横截面通常呈现圆形多边形。
2020-06-05 cond-mat.other cond-mat.soft physics.bio-ph
Topological origin of strain induced damage of multi-network elastomers by bond breaking
能够承受大的可逆应变的弹性体是可拉伸电子产品的基本组件。未填充的弹性体的拉伸性和机械鲁棒性可以通过引入断裂交联来增强，例如通过多网络结构，这也会引起指示应变诱导损伤的应力-应变滞后。然而，目前尚不清楚交联断裂是否遵循可预测的模式，该模式可用于理解随应变的损伤演变。利用粗粒分子动力学和拓扑结构分析的聚合物网络，我们发现，键断裂事件控制的全球最短路径长度之间的演变以及分离的交联，这是各向异性和滞后应变。这些发现建立了弹性体的分子结构和宏观力学行为之间的明确联系，从而为设计机械坚固的软材料提供了指导方针。
2020-01-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Assur graphs, marginally jammed packings, and reconfigurable metamaterials
等静压框架是同时具有刚性和无自应力状态的力学网络，并且是理解软物质中的相变和机械超材料设计的有力概念。在这里，我们分析均衡框架的子结构，通过将“阿苏尔图”推广到环面，并在物理系统中检查它们。我们表明，接触网络的边缘堵塞填料的方法环面阿苏尔图的热力学极限，并演示如何阿苏尔图提供了一个新的设计原理，机械超材料中的运动和应力可以传播的可重构的路径，而整个结构的刚度保持。
2022-12-23 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft math-ph
Designing Phononic Band Gaps with Sticky Potentials
无序固体振动模式中的谱隙是声子超材料合成和控制的关键设计元素，声子超材料表现出大量新颖的弹性和机械性能。然而，可靠地产生这些间隙通常需要通过复杂的控制优化程序来实现高度的网络特异性。在这项工作中，我们提出了一个额外的工具，现有的剧目，一个数值方案，迅速产生相当大的光谱间隙的网络结构或弹性参数的任何微调的情况下。这些间隙甚至出现在由相对少的颗粒（$N \sim 10^2-10^3$）组成的无序多分散体系中。我们提出的程序利用粘性潜力，最近已被证明可以抑制软模式的形成，从而有效地恢复线性弹性制度的能带结构出现，在更短的长度尺度比传统的无序固体模型。我们的方法与从胶体悬浮液到3D打印弹性网络的各种物理设置中的间隙光谱的设计和实现有关。
2021-03-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A Robust "Shrink-and-wrap" Piecewise Construction Transforms 3-Dimensional Mesh Structures into Mechanical Metamaterials
Stony Brook University, the State University of New York (SUNY)（纽约州立大学石溪分校）；Department of Biomedical Engineering（纽约州立大学石溪分校工程与应用科学学院）；College of Engineering and Applied Sciences (CEAS)；Stony Brook University, SUNY
本研究提出一种“收缩包裹”分段构造方法，可将任意三角形或四面体网格结构转化为具有负泊松比和局部可编程力学性质的拉胀力学超材料，并适用于3D打印。
2026-09-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Curvature-Guided Mechanics and Design of Spinodal and Shell-Based Architected Materials
本文建立理论框架量化曲率对壳基自旋odal构筑材料各向异性刚度和强度的影响，提出几何度量指标预测拉伸与弯曲能量分布，并通过有限元模拟和微尺度实验验证，为曲率驱动的构筑材料优化设计提供指导。
2025-05-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Initial rigid response and softening transition of highly stretchable kirigami sheet materials
我们研究，实验和理论上，在一个简单的模式安排线裂纹或切口的片材的力学响应。这种片材通常被称为kirigami（日语单词kiri和gami分别代表切割和纸张），展示了一种独特的机械响应，有望用于各种工程应用，如可拉伸电池：kirigami片材具有一种机械状态，其中片材具有高度可拉伸性，并且与没有线裂纹的原始片材相比非常柔软，这是由于平面外变形。然而，这个政权开始后，从一个初始的刚性政权的平面内变形的过渡。换句话说，kirigami结构的柔软性是由于从二维到三维变形的过渡而出现的，即，从拉伸到弯曲。我们澄清的物理起源的过渡和机械制度，这是揭示由简单的标度律。研究结果可用于控制和设计包括用于医疗再生的细胞片在内的片状材料的机械响应，并与具有可调刚度和机械力传感器的材料的开发有关。
2016-05-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
