Nature has plenty of imitable examples of bistable thin structures that can actuate in response to mechanical and environmental stimuli, such as touch, light, and moisture. Scientists and engineers have used these as models to develop real-world systems with enhanced shape stability, energy efficiency, and power output. The bistable leaf of the Venus Flytrap (VFT) has a uniquely simple structure that enables exquisite actuation to trap the prey instantly. In this study, we present a strategy, inspired and derived from the VFT, which incorporates dielectric elastomer (DE) layers in a bistable actuator capable of reversible snapping through electrical stimulation. The trilayered laminated actuator is composed of two prestrained layers and a strain-limiting middle layer. The balance between elastic energy and bending energy of the laminates results in bistable shapes. We explore a broad design space of the bistable architecture through analysis and experiments to validate the fabrication parameters. The rapid snap-through between the two stable configurations is activated by a voltage pulse applied on the DE layers that change the laminate's strain field. Whereas a high electric field is used as the actuation trigger, the self-stabilization characteristic of the bistable structure obviates the need for continuous voltage supply. Finally, we recommended a new method of flow control by modulating porosity on curved surfaces through operating bistable dielectric elastomer actuators as binary valves.

中文翻译：

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仿生双稳态介电弹性体致动器：可编程形状和作为二元阀的应用

自然界有许多可模仿的双稳态薄结构示例，这些结构可以响应机械和环境刺激（如触摸、光线和水分）进行驱动。科学家和工程师已将这些用作模型来开发具有增强的形状稳定性、能源效率和功率输出的真实系统。Venus Flytrap (VFT) 的双稳态叶片具有独特的简单结构，可通过精致的驱动立即捕获猎物。在这项研究中，我们提出了一种策略，该策略受 VFT 的启发和衍生，该策略将介电弹性体 (DE) 层结合在双稳态致动器中，该致动器能够通过电刺激进行可逆捕捉。三层层压致动器由两个预应变层和一个应变限制中间层组成。层压板的弹性能和弯曲能之间的平衡导致双稳态形状。我们通过分析和实验探索了双稳态架构的广阔设计空间，以验证制造参数。通过施加在 DE 层上的电压脉冲激活了两种稳定配置之间的快速瞬变，从而改变了层压板的应变场。虽然使用高电场作为驱动触发器，但双稳态结构的自稳定特性消除了对连续电压供应的需要。最后，我们推荐了一种新的流量控制方法，即通过将双稳态介电弹性体致动器作为二元阀来调节曲面上的孔隙率。我们通过分析和实验探索了双稳态架构的广阔设计空间，以验证制造参数。通过施加在 DE 层上的电压脉冲激活了两种稳定配置之间的快速瞬变，从而改变了层压板的应变场。虽然使用高电场作为驱动触发器，但双稳态结构的自稳定特性消除了对连续电压供应的需要。最后，我们推荐了一种新的流量控制方法，即通过将双稳态介电弹性体致动器作为二元阀来调节曲面上的孔隙率。我们通过分析和实验探索了双稳态架构的广阔设计空间，以验证制造参数。通过施加在 DE 层上的电压脉冲激活了两种稳定配置之间的快速瞬变，从而改变了层压板的应变场。虽然使用高电场作为驱动触发器，但双稳态结构的自稳定特性消除了对连续电压供应的需要。最后，我们推荐了一种新的流量控制方法，即通过将双稳态介电弹性体致动器作为二元阀来调节曲面上的孔隙率。虽然使用高电场作为驱动触发器，但双稳态结构的自稳定特性消除了对连续电压供应的需要。最后，我们推荐了一种新的流量控制方法，即通过将双稳态介电弹性体致动器作为二元阀来调节曲面上的孔隙率。虽然使用高电场作为驱动触发器，但双稳态结构的自稳定特性消除了对连续电压供应的需要。最后，我们推荐了一种新的流量控制方法，即通过将双稳态介电弹性体致动器作为二元阀来调节曲面上的孔隙率。