Mechanical cloaks are materials engineered to manipulate the elastic response around objects to make them indistinguishable from their homogeneous surroundings. Typically, methods based on material-parameter transformations are used to design optical, thermal and electric cloaks. However, they are not applicable in designing mechanical cloaks, since continuum-mechanics equations are not form-invariant under general coordinate transformations. As a result, existing design methods for mechanical cloaks have so far been limited to a narrow selection of voids with simple shapes. To address this challenge, we present a systematic, data-driven design approach to create mechanical cloaks composed of aperiodic metamaterials using a large pre-computed unit cell database. Our method is flexible to allow the design of cloaks with various boundary conditions, different shapes and numbers of voids, and different homogeneous surroundings. It enables a concurrent optimization of both topology and properties distribution of the cloak. Compared to conventional fixed-shape solutions, this results in an overall better cloaking performance, and offers unparalleled versatility. Experimental measurements on 3D-printed structures further confirm the validity of the proposed approach. Our research illustrates the benefits of data-driven approaches in quickly responding to new design scenarios and resolving the computational challenge associated with multiscale designs of aperiodic metamaterials.


翻译:机械斗篷是设计用于操纵物体周围的弹性反应材料,使其与同类环境无法区分。通常,以材料参数转换为基础的方法用于设计光学、热能和电动斗篷。但是,这些方法不适用于设计机械斗篷,因为在一般协调的变换中,连续机械方程式不是形式变异的。因此,机械斗篷的现有设计方法迄今限于以简单形状缩小的空隙选择。为了应对这一挑战,我们提出了一个系统化的数据驱动设计方法,利用一个大型的预合成单元数据库,创建由定期元材料组成的机械斗篷。我们的方法灵活,允许设计具有各种边界条件、不同形状和数目的空隙以及不同的同质环境的斗篷。这样可以同时优化斗篷的表层和属性分布。与常规的固定形状解决方案相比,这样的结果是总体更佳的隐蔽性,并且提供了无与伦比的多用途。在3D打印的实验性测量中由定期元元材料构成构成构成的元件。我们的方法灵活,可以允许设计各种边界条件、不同形状和数字以及不同的整形环境。这可以同时优化地证实我们所拟的代设计模型设计方法的模型设计方法的有效性。

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