A 3D shape-morphing structure and a 3D shape-morphing device

Abstract

This application relates to a 3D shape-morphing structure for creating dynamic 3D metasurfaces and a 3D shape-morphing device. The 3D shape-morphing structure comprises a combination of 3D shape-morphing units arranged in a predetermined configuration. Each 3D shape-morphing unit comprises an interleaved assembly, an air duct, and an elastomeric substrate. The interleaved assembly is formed by interlacing a first zigzag strip and a second zigzag strip together and enclosing the same into an airtight elastomeric pocket. The air duct connects to the space within the elastomeric pocket and is used for reducing or increasing the pressure in the space. Besides, the bottom of the elastomeric pocket is anchored at two ends to the elastomeric substrate. Each interleaved assembly is configured to be spatiotemporally buckled so as to form the target 3D shape. By means of such 3D shape-morphing structure, a flexible and dynamically refreshable 3D metasurface can be formed and the formed 3D shape can be maintained without requiring constant energy input.

Description

A 3D SHAPE-MORPHING STRUCTURE AND A 3D SHAPE-MORPHING DEVICETECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates to a 3D shape-morphing structure for creating dynamic 3D metasurfaces and a 3D shape-morphing device.BACKGROUND

[0002] The controlled transformation of two-dimensional (2D) matters into complex three-dimensional (3D) structures holds promise for various emerging areas, including soft robotics, biomedical devices, metamaterials, and the virtual reality / augmented reality applications. A variety of methods have emerged to create complex 3D structures. These methods include the use of responsive materials that respond to external stimuli, such as liquid crystal elastomers, dielectric elastomers, swellable hydrogels, and magnetically responsive soft materials. Other methods involve origami / kirigami structures, soft pneumatic actuators, multi-material structures, and mechanical buckling of pre-patterned 2D strips on soft substrates. These methods, however, generally preset shape-morphing rules at fabrication, thus the final 3D shapes are usually pre-determined and cannot be refreshed. Efforts have been dedicated to enable reprogrammable 3D structures, such as thermally activated robotic surfaces, Lorentz force-driving mechanical metasurfaces, and loading-path controlled mechanical assembly, with the cost of uninterrupted energy input or with limited transformable 3D geometries.

[0003] The present disclosure is provided to solve the above-mentioned defects in the background.SUMMARY

[0004] The present disclosure intends to provide a 3D shape-morphing structure for creating dynamic 3D metasurfaces and a 3D shape-morphing device, which can form a  flexible and dynamically refreshable 3D metasurface and maintain the formed 3D shape without requiring constant energy input.

[0005] In a first aspect, the present disclosure provides a 3D shape-morphing structure, which comprises a combination of 3D shape-morphing units arranged in a predetermined configuration. Each 3D shape-morphing unit comprises an interleaved assembly, an air duct, and an elastomeric substrate. The interleaved assembly is formed by interlacing a first zigzag strip and a second zigzag strip together and enclosing the same into an airtight elastomeric pocket. The air duct connects to the space within the elastomeric pocket and is used for reducing or increasing the pressure in the space. Besides, the bottom of the elastomeric pocket is anchored at two ends to the elastomeric substrate. Each interleaved assembly is configured to be spatiotemporally buckled so as to form the target 3D shape.

[0006] In a second aspect, the present disclosure provides a 3D shape-morphing device. The device comprises the 3D shape-morphing structure of any embodiment of present disclosure and a control unit. And the control unit is configured to: pre-stretch the elastomeric substrates, spatially jam the interleaved assemblies by applying vacuum via the air ducts at distinct temporal instances during the relaxation of the pre-strain of the pre-stretched elastomeric substrates, so as to form the target 3D shape.

[0007] The 3D shape-morphing structure and the 3D shape-morphing device of present disclosure is able to form flexible and dynamically refreshable 3D metasurface consisting of units with tunable stiffness through spatiotemporally jamming interleaved assemblies on soft substrates. On the pre-stretched soft substrate, each interleaved assembly can be individually spatially jammed by vacuum at distinct temporal instances during the relaxation of the pre-strain. Jamming the initially flat interleaved assemblies at different spatial locations creates a 2D array of interleaved assembles with different stiffness, which would buckle to 3D architectures with distinct profiles upon releasing the pre-stretched soft substrates in the temporal domain. Once jammed, the formed 3D shape do not require constant energy input to maintain. The jammed units can also be subsequently unjammed to recover to the 2D shapes. Thus, the present disclosure can achieve flexible and dynamically refreshable 3D shapes using an energetically efficient way. Besides, the formed 3D shapes are theoretically predictable depending on the geometry of the interleaved assemblies and the residual pre-strain; thus, inverse design  can be applied to achieve desired 3D shapes.

[0008] Other aspects of the disclosure will become apparent by consideration of the detailed description and accompanying drawings.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0009] In figures that are not necessarily drawn to scale, the same reference numerals may describe similar components in different figures. The same reference signs with suffixes or different suffixes may denote different examples of similar components. The figures generally show various embodiments by way of example rather than limitation, and are used together with the description and the claims to describe the embodiments of the present disclosure. Such embodiments are illustrative, and are not intended to be exhaustive or exclusive embodiments of the present device or method.

[0010] Fig. 1 illustrates an exploded-view schematic view of the 3D shape-morphing unit according to a first embodiment of present disclosure.

[0011] Fig. 2 illustrates the correlation between tensile rigidity and applied negative pressure for interleaved assemblies with varying plies according to a second embodiment of present disclosure.

[0012] Fig. 3 illustrates the schematic flow diagram of the 3D shape-morphing process using the 3D shape-morphing unit according to a third embodiment of present disclosure.

[0013] Fig. 4 illustrates the top view and the front view of a buckling interleaved assembly according to a fourth embodiment of present disclosure.

[0014] Fig. 5 (a) illustrates the FEA (finite element analysis) and experimental results for the maximum buckling height of the interleaved assembly with the residual pre-strain as 16%according to a fifth embodiment of present disclosure.

[0015] Fig. 5 (b) illustrates the FEA and experimental results for the maximum buckling height of the interleaved assembly with the residual pre-strain as 32%according to a sixth embodiment of present disclosure.

[0016] Fig. 5 (c) illustrates the FEA and experimental results for the maximum  buckling height of the interleaved assembly with the residual pre-strain as 47%according to a seventh embodiment of present disclosure.

[0017] Fig. 6 illustrates the FEA, experimental, and theoretical results for the maximum buckling height of the interleaved assembly as a function of the residual pre-strain according to an eighth embodiment of present disclosure.

[0018] Fig. 7 (a) illustrates a schematic diagram of a 3D shape-morphing structure which comprises a combination of 3D shape-morphing units arranged in a 3 × 3 array according to a ninth embodiment of present disclosure.

[0019] Fig. 7 (b) illustrates a schematic diagram of a 3D shape-morphing structure with experimental results showing one 3D configuration under an operation matrix according to a tenth embodiment of present disclosure.

[0020] Fig. 7 (c) illustrates a schematic diagram of a 3D shape-morphing structure with experimental results showing another 3D configuration under another operation matrix according to an eleventh embodiment of present disclosure.

[0021] Fig. 8 (a) illustrates a schematic diagram of a flat animal-shaped structure with four angled interleaved assemblies according to a twelfth embodiment of present disclosure.

[0022] Figs. 8 (b) -8 (d) illustrate three different 3D configurations of an animal-shaped structure with four angled interleaved assemblies with FEA and experimental results under different operation matrices M according to a thirteenth embodiment of present disclosure.

[0023] Figs. 9 (a) -9 (c) illustrate a flow diagram of the model-based inverse design for a pixelized structure consisting of an 8 × 8 array to morph into two distinct target shapes according to a fourteenth embodiment of present disclosure.DETAILED DESCRIPTION

[0024] In order to enable those skilled in the art to better understand the technical solutions of the present disclosure, the present disclosure will be described in detail below in conjunction with the accompanying drawings and specific embodiments. The embodiments of the present disclosure will be described in further detail below in conjunction with the accompanying drawings and specific embodiments, but they are not  intended to limit the present disclosure.

[0025] “First” , “second” and similar words used in the present disclosure do not indicate any order, quantity or importance, but are only used to distinguish different components. “Include” or “comprise” and other similar words mean that an element appearing before this word covers an element listed after this word, but do not exclude other elements.

[0026] In addition, although exemplary embodiments have been described herein, the scope thereof includes any and all embodiments based on the present disclosure having equivalent elements, modifications, omissions, combinations (e.g., scenarios where various embodiments intersect) , adaptations, or changes. The elements of the claims will be construed broadly based on the language employed in the claims and are not limited to the examples described in this specification or during implementation of this application, the examples of which will be construed as non-exclusive. Accordingly, this specification and the examples are intended to be considered as examples only and the true scope and spirit are indicated by the full scope of the following claims and their equivalents.

[0027] Fig. 1 illustrates an exploded-view schematic view of the 3D shape-morphing unit according to a first embodiment of present disclosure. As shown in Fig. 1, the 3D shape-morphing unit 100 comprises an interleaved assembly 101, an air duct 102, and an elastomeric substrate 103. The interleaved assembly 101 is formed by interlacing a first zigzag strip 101a and a second zigzag strip 101b together and enclosing the same into an airtight elastomeric pocket 101c. Particularly, friction exists between the first zigzag strip 101a and a second zigzag strip 101b similar to the friction concept of interleaved phone books. The air duct 102 connects to the space within the elastomeric pocket 101c and is used for reducing or increasing the pressure in the space. As an example, if negative pressure is applied via the air duct 102, the pressure in the space is reduced, and if negative pressure is released via the air duct 102, the pressure in the space is increased. The bottom of the elastomeric pocket 101c is anchored 104 at two ends to the elastomeric substrate 104. The elastomeric substrate can be made from soft elastomers, such as but not limited to soft silicone elastomer.

[0028] Although two zigzag strips, i.e., the first zigzag strip 101a and the second zigzag strip 101b are shown in Fig. 1, this is only an example, the number of the zigzag strips is  not particularly limited. In some embodiment, a zigzag strip may have another zigzag strip interlacing with itself.

[0029] The stiffness, or tensile rigidity of the interleaved assembly 101 can be readily adjusted through a process known as jamming. The interleaved assembly 101 exhibits a stiff tensile rigidity in a jammed state while exhibits a soft tensile rigidity in an unjammed state. For example, the tensile rigidity of the unjammed elastomeric pocket 101c (i.e., negative pressure P = 0) is 0.723 N / mm, which can increase to as high as 21.715 N / mm upon jamming (e.g., P = 60 kPa) for a 4-ply interleaved assembly. This represents an increase in rigidity of over 30 times.

[0030] The correlation between tensile rigidity and applied negative pressure is detailed in Fig. 2, the tensile rigidity and the applied negative pressure has a quantitative two-domain relationship, including the variable stiffness domain and the constant stiffness domain.

[0031] The two-domain relationship defines the following three scenarios: an OFF state representing low tensile rigidity without jamming (the negative pressure is zero, P = 0) , a variable stiffness scenario with moderate tensile rigidity (the negative pressure is more than zero and less than a threshold negative pressure depending on the plies of the interlaced zigzag strips, 0 < P < Pth) , where Pth denotes the specific threshold negative pressure that varies depending on the ply count of the interleaved papers, and an ON state characterized by high and relatively constant tensile rigidity with jamming (the negative pressure is more than the threshold negative pressure, P > Pth) .

[0032] when vacuum is applied to the space within the elastomeric pocket 101c, resulting in confining pressure applied to the elastomeric pocket 101c from outside, and thus the interleaved assembly 101 become jammed and exhibit much higher tensile rigidity.

[0033] The elastomeric substrate 103 is stretchable. In case that the elastomeric substrate 103 is stretched, at least partial vacuum is applied to the space within the elastomeric pocket 101c, and the interleaved assembly 101 is thus jammed. In case that the elastomeric substrate 103 is released with the jammed interleaved assembly 101, the interleaved assembly 101 is buckled, so as to form a 3D configuration with a buckling height as shown in Fig. 3. Extensive research has been conducted on such interleaved assembly 101, particularly focusing on the behavior when a pre-stretched substrate (defined by εpre= ΔLs / Ls where Ls is the initial length of the soft substrate, and ΔLs is its deformation length) releases its strain. This release leads to the buckling of stiff strips adhered to the soft substrate (see Fig. 3) .

[0034] Particularly, an additional design variable is introduced: jamming-induced tunable tensile rigidity. This variable significantly diversifies the buckling behavior of the interleaved assembly 101. The buckling height varies depending on the specific moment when the interleaved assembly 101 is jammed, forming a stiff strip on a soft substrate 103 that is releasing strain (See Fig. 3) . To effectively represent the temporal aspects of jamming and its associated buckling behavior, the notations and [-] are introduced. Notation signifies the state of being jammed at a particular residual pre-strain  (< εpre < εmax) . This residual pre-strain in combination with the geometrical parameters of the interleaved assembly 101, determines the buckling height w. Conversely, [-] indicates the state of being unjammed, where the ‘-’s ymbol is used because is no longer relevant in this scenario.

[0035] Each individual interleaved assembly in the shape-morphing structure can be jammed at different temporal instants, enabling a spatiotemporally controllable buckling strategy for fabricating 3D architectures by means of one or more 3D shape-morphing units, a group of 3D shape-morphing units, or even an array of 3D shape-morphing units. Actually, each individual 3D shape-morphing unit in the shape-morphing structure may be denoted by either or ‘-’ , representing the jammed or unjammed state of each interleaved assembly 101, respectively. By means of designating one or more 3D shape-morphing units and defining the specific temporal instance (i.e.,  ) for spatiotemporally jamming each individual interleaved assembly and releasing the pre-stretched substrate, each individual interleaved assembly may be buckled as needed, flexible and dynamically refreshable 3D metasurface may be thus achieved.

[0036] Further, the jamming process is reversible. As shown in Fig. 3, When a buckled strip in the ON state is unjammed (by removing the vacuum to revert to the OFF state and allowing air in) , it reverts to its initial flat shape. As an example, the interleaved assembly may be initially flat, buckled upon jammed, and is able to be unjammed subsequently to recover to its initial flat shape. Besides, once the interleaved assembly is jammed, the formed 3D configuration maintains the shape without depending on constant energy input. That is to say,  continuous energy input is not required once the assembly is jammed, making this method energy-efficient for altering the tensile rigidity.

[0037] On the pre-stretched soft substrate, each interleaved assembly can be individually spatially jammed by vacuum at distinct temporal instances during the relaxation of the pre-strain. Jamming the initially flat interleaved assembly bring about different stiffness to the interleaved assembly, which would buckle to 3D architectures with distinct buckling heights upon releasing the pre-stretched soft substrates in the temporal domain. As shown in Fig. 3, if the pre-stretched elastomeric substrate is partially released before jamming of the interleaved assembly, the jamming occurs at a lower residual pre-strain. As an example, the buckling height depends on the temporal instant when the interleaved assembly is jammed. If the jamming occurs at a lower residual pre-strain, as shown in the second line in Fig. 3, the buckling height is lower than the buckling height obtained by jamming at a higher residual pre-strain, as shown in the first line in Fig. 3. As another example, the buckling height depends on the geometry of the interleaved assembly and its residual pre-strain during the state of being jammed. Once jammed, the formed 3D shape does not require constant energy input to maintain. The jammed units can also be subsequently unjammed to recover to the 2D shapes. Thus, the present disclosure can achieve flexible and dynamically refreshable 3D shapes using an energetically efficient way.

[0038] Fig. 4 illustrates the top view and the front view of a buckling interleaved assembly according to a fourth embodiment of present disclosure. By jamming the interleaved assembly at different residual pre-strains, with the residual pre-strain as 16%as shown in Fig. 5 (a) , with the residual pre-strain as 32%as shown in Fig. 5 (b) , with the residual pre-strain as 47%as shown in Fig. 5 (c) , different buckling heights of the interleaved assembly can be obtained, as both reflected by the FEA (finite element analysis) and experimental results for the maximum buckling height of the interleaved assembly as shown in Fig. 5 (a) , Fig. 5 (b) , and Fig. 5 (c) . Thus, the buckling height of each interleaved assembly depends on the residual pre-strain of the corresponding elastomeric substrate when jamming the interleaved assembly. Further, the buckling height of each interleaved assembly has a one-to-one relationship with the residual pre-strain of the corresponding elastomeric substrate when jamming the interleaved assembly.

[0039] We modeled each interleaved assembly at the jammed state as a beam with non-uniform thickness, allowing us to theoretically determine its buckling height. To further characterize the buckling behavior and capture more intricate details, FEA was conducted. Fig. 6 illustrates the FEA, experimental, and theoretical results for the maximum buckling height of the interleaved assembly as a function of the residual pre-strain according to an sixth embodiment of present disclosure. The specific geometries considered include a 0.5 mm-thick elastomeric pocket and interleaved assemblies measuring 7 mm in width and 19 mm in length, with zigzag strips of 5 mm width, 14 mm length, and an initial overlapping length of 11 mm between two strips. It is found that the theoretical model and the finite element simulations agree very well with the experiments (as shown in Fig. 6) , which validates the feasibility of inverse design for complex 3D metasurfaces. Additionally, the mechanical behavior of the buckled interleaved assembly is also tested, revealing a maximum resisting loading of approximately 0.3 N, which is comparable to the force exerted by a typical mouse click or a keyboard typing. This finding suggests a promising potential application in tactile displays.

[0040] Fig. 7 (a) illustrates a schematic diagram of a 3D shape-morphing structure according to a ninth embodiment of present disclosure. The 3D shape-morphing structure comprises a combination of the above mentioned 3D shape-morphing units arranged in a predetermined configuration. Each interleaved assembly is configured to be spatiotemporally buckled so as to form the target 3D shape. Jamming the initially flat interleaved assemblies at different spatial locations creates a 2D array of interleaved assembles with different stiffness, which would buckle to 3D architectures with distinct profiles upon releasing the pre-stretched soft substrates in the temporal domain.

[0041] In some embodiments, the combination of 3D shape-morphing units is arranged in a 2D configuration to form an array of 3D shape-morphing units. As shown in Fig. 7 (a) , the 3D shape-morphing structure according to the ninth embodiment of present disclosure comprises a combination of 3D shape-morphing units arranged in a 3 × 3 array. Although nine 3D shape-morphing units arranged in a 3 × 3 array are shown in Fig. 7 (a) , this is only an example; the number and the arrangement of the 3D shape-morphing units are not particularly  limited. In some embodiment, when numerous interleaved assemblies are pixelized, the structure can form highly complex shapes using a carefully designed operation matrix M. This approach offers a practical solution for large-scale dynamic shape morphing and has the potential for widespread applications.

[0042] In scenarios where there are arrays of these 3D shape-morphing units, the elastomeric substrates are pre-stretched, the interleaved assemblies are initially flat, and can be spatially jammed by applying vacuum via the air ducts at distinct temporal instances during the relaxation of the pre-strain of the pre-stretched elastomeric substrates. That is, each individual assembly can be individually addressed and spatially jammed at different temporal instants during the relaxation of the pre-strain of the pre-stretched elastomeric substrates, so as to form the target 3D shape, enabling a spatiotemporally controllable buckling strategy for fabricating 3D architectures. Besides, the geometry of the combination of 3D shape-morphing units is associated with the target 3D shape, and the residual pre-strains of the elastomeric substrates when jamming the interleaved assemblies are associated with the target 3D shape. That is to say, the target 3D shapes are theoretically predictable depending on the geometry of the combination of 3D shape-morphing units and the residual pre-strains of the elastomeric substrates when jamming the interleaved assemblies; thus, inverse design can be applied to achieve desired 3D shapes.

[0043] To represent the spatial and temporal aspects of jamming and buckling, we introduce a matrix M, with the subscript “ij” indicating the distribution of these arrays on the corresponding 2D plane. In this matrix, each element Mij is denoted by either or ‘-’ , representing the jammed or unjammed state of each interleaved assembly, respectively. Therefore, matrix M functions as an operational guide, dictating that at a specific temporal instance (i.e.,  ) , a designated assembly (indexed as “ij” in M) begins to buckle. This approach outlines a design and control strategy for dynamically refreshable 3D structures using spatiotemporally jammed interleaved assemblies.

[0044] As shown in Figs. 7 (b) -7 (c) , by jamming the designated interleaved assemblies in the array at different residual pre-strains according to distinct matrices M, different configurations can be obtained.

[0045] In some embodiments, the combination of 3D shape-morphing units are  arranged in a spatial configuration to resemble an organism. Particularly, when the spatial arrangement of these interleaved assemblies is designed to resemble specific shapes, such as animals, the dynamic refreshability imparts a “living” characteristic to the structure. The 3D shape-morphing units, as active shape-morphing units, can further be combined with passive units (e.g., portions made of PET material) so as to form various 3D structures. For instance, Figs. 8 (a) -8 (d) illustrate a turtle-shaped structure composed of four angled shape-morphing units. Each 3D shape-morphing unit has a body portion and a limb portion, and is angled with another 3D shape-morphing unit. Different gestures of this turtle-shaped structure emerge depending on the applied operation matrices. By sequentially applying varied operation matrices, a “live turtle” can be simulated. As an example, as shown in Fig. 8 (b) , by jamming the four angled interleaved assemblies at the residual pre-strain of 35%, a stand gesture of this turtle-shaped structure emerges. As another example, as shown in Fig. 8 (c) , by jamming the two interleaved assemblies on the left at the residual pre-strain of 35%, a lean gesture of this turtle-shaped structure emerges. As another example, as shown in Fig. 8 (d) , by jamming the two interleaved assemblies on the upper side at the residual pre-strain of 35%, a sidestep gesture of this turtle-shaped structure emerges. In this way, the formed 3D configurations mimic the postures of a live turtle. For each of these examples, the target gestures, the corresponding simulations, and the experimental results are listed, as in Figs. 8(b) -8 (d) . This capability opens up a vast design space for complex and “living” 3D structures.

[0046] When numerous interleaved assemblies are pixelized, the structure can form highly complex shapes using a carefully designed operation matrix M. This approach offers a practical solution for large-scale dynamic shape morphing and has the potential for widespread applications.

[0047] Further, the formed 3D shapes are theoretically predictable depending on the geometry of the interleaved assemblies and the residual pre-strain; thus, inverse design can be applied to achieve desired 3D shapes. Figs. 9 (a) -9 (c) illustrate a flow diagram of the model-based inverse design for a pixelized structure consisting of an 8 × 8 array to morph into two distinct target shapes according to a fourteenth embodiment of present disclosure.

[0048] To achieve a given target shape, such as the one depicted in Fig. 9 (a) with its  height represented by contour colors, we first obtain its 3D profile and express it as a numerical table, denoted as ztarget=f (x, y) . Here the dimensions of the table (i.e., x × y) correspond to the size of the pixelized structure. Utilizing the one-to-one relationship between the buckling height and the residual pre-strain as shown in Figs. 5 (a) -5 (c) , we determine the specific residual pre-strain at each spatial location (x, y) . The varying values represent the different temporal instances at which each individual interleaved assembly is jammed. Consequently, this process results in the formation of the operation matrix M. Guided by the operation matrix M, the 3D shape can be experimentally realized. In this way, the formed 3D shapes are theoretically predictable depending on the geometry of the interleaved assemblies and the residual pre-strain; thus, inverse design can be applied to achieve desired 3D shapes.

[0049] The present disclosure further provides a 3D shape-morphing device. The device comprises the 3D shape-morphing structure of any embodiment of the present disclosure and a control unit. The control unit is configured to: pre-stretch the elastomeric substrates, spatially jam the interleaved assemblies by applying vacuum via the air ducts at distinct temporal instances during the relaxation of the pre-strain of the pre-stretched elastomeric substrates, so as to form the target 3D shape.

[0050] By returning to Fig. 3, the control unit is configured to pre-stretch the elastomeric substrates with the interleaved assemblies unjammed, so that the interleaved assemblies are soft. In some embodiments, the already pre-stretched substrate may be partially released to obtain the required residual pre-strain. The higher the buckling height is, the more residual pre-strain is. Then, the control unit may spatially jam the interleaved assemblies by applying vacuum to the space within the interleaved assemblies via the air ducts, so as to confine and squeeze the interlaced zigzag strips therein, thus the interleaved assemblies at designated locations become jammed and rigid. The partially released substrate may be fully released, so that the jammed interleaved assembly buckles. Further, the buckled and jammed interleaved assemblies may recover to their initial 2D flat configurations by introducing air into the space within the interleaved assemblies to unjam them and resume their initial soft property.

[0051] The 3D shape-morphing structure and the 3D shape-morphing device of present disclosure is able to form flexible and dynamically refreshable 3D metasurface  consisting of units with tunable stiffness through spatiotemporally jamming interleaved assemblies on soft substrates. Once jammed, the formed 3D shape does not require constant energy input to maintain. The jammed units can also be subsequently unjammed to recover to the 2D shapes. Thus, the present disclosure can achieve flexible and dynamically refreshable 3D shapes using an energetically efficient way. Besides, the formed 3D shapes are theoretically predictable depending on the geometry of the interleaved assemblies and the residual pre-strain; thus, inverse design can be applied to achieve desired 3D shapes.

[0052] The 3D shape-morphing process of any embodiment of present disclosure, as well as its steps, details, separately or in combination, can be incorporated as examples.

[0053] The above description is intended to be illustrative and not limiting. For example, the above-mentioned examples (or one or more solutions thereof) may be used in combination with each other. For example, those of ordinary skill in the art may use other embodiments when reading the above-mentioned description. In addition, in the above-mentioned specific embodiments, various features may be grouped together to simplify the present disclosure. This should not be interpreted as an intention that features of the disclosure that do not require protection are necessary for any of the claims. Rather, the subject matter of the present disclosure may be less than the full range of features of a particular disclosed embodiment. Therefore, the following claims are incorporated herein as examples or embodiments in the particular embodiment, each claim stands alone as a separate embodiment, and it is contemplated that these embodiments may be combined with each other in various combinations or permutations. The scope of the present disclosure shall be determined by reference to the full scope of the appended claims and equivalent forms to which these claims are entitled.

[0054] The above embodiments are only exemplary embodiments of the present disclosure, and are not used to limit the present disclosure. The scope of protection of the invention is defined by the claims. Those skilled in the art can make various modifications or equivalent substitutions to the invention within the essence and protection scope of the disclosure, and such modifications or equivalent substitutions should also be regarded as falling within the protection scope of the invention.

Claims

1.A 3D shape-morphing structure, comprising:a combination of 3D shape-morphing units arranged in a predetermined configuration, wherein each 3D shape-morphing unit comprises:an interleaved assembly, which is formed by interlacing a first zigzag strip and a second zigzag strip together and enclosing the same into an airtight elastomeric pocket;an air duct, which connects to the space within the elastomeric pocket and is used for reducing or increasing the pressure in the space; andan elastomeric substrate, the bottom of the elastomeric pocket is anchored at two ends to the elastomeric substrate,each interleaved assembly is configured to be spatiotemporally buckled so as to form the target 3D shape.2.The 3D shape-morphing structure of claim 1, wherein, the elastomeric substrates are pre-stretched, the interleaved assemblies are initially flat, and are configured to be spatially jammed by applying vacuum via the air ducts at distinct temporal instances during the relaxation of the pre-strain of the pre-stretched elastomeric substrates, so as to form the target 3D shape.3.The 3D shape-morphing structure of claim 2, wherein the geometry of the combination of 3D shape-morphing units are associated with the target 3D shape, and the residual pre-strains of the elastomeric substrates when jamming the interleaved assemblies are associated with the target 3D shape.4.The 3D shape-morphing structure of claim 2, wherein the buckling height of each interleaved assembly depends on the residual pre-strain of the corresponding elastomeric substrate when jamming the interleaved assembly.5.The 3D shape-morphing structure of claim 2, wherein, the buckling height of each interleaved assembly has a one-to-one relationship with the residual pre-strain of the corresponding elastomeric substrate when jamming the interleaved assembly.6.The 3D shape-morphing structure of claim 2, wherein, the combination of 3D shape-morphing units are arranged in a 2D configuration to form an array of 3D shape-morphing units.7.The 3D shape-morphing structure of claim 2, wherein, the combination of 3D shape-morphing units are arranged in a spatial configuration to resemble an organism.8.The 3D shape-morphing structure of claim 7, wherein, each 3D shape-morphing unit has a body portion and a limb portion, and is angled with another 3D shape-morphing unit.9.The 3D shape-morphing structure of claim 6, wherein, in the array of 3D shape-morphing units, each 3D shape-morphing unit is individually addressed and spatially jammed by vacuum at distinct temporal instances during the relaxation of the pre-stretched substrate.10.The 3D shape-morphing structure of claim 1, wherein, each interleaved assembly is configured to be unjammed to recover its original flat shape.11.The 3D shape-morphing structure of claim 1, wherein, upon the target 3D shape is formed, it is maintained by keeping the jamming of the interleaved assemblies without the need for continuous energy input.12.An 3D shape-morphing device, comprising:the 3D shape-morphing structure of any one of claims 1-11; anda control unit, which is configured to: pre-stretch the elastomeric substrates, spatially jam the interleaved assemblies by applying vacuum via the air ducts at distinct temporal instances during the relaxation of the pre-strain of the pre-stretched elastomeric substrates, so as to form the target 3D shape.

Images