Inverse design framework for 4D printed structures using the finite element method
Rattachement africain : jp, hk, cn. Niveau de preuve : code pays fourni par la source.
Le résumé fourni par la source
In this paper, we present an inverse design framework based on the finite element method (FEM) tailored for 4D printed structures capable of undergoing programmable, stimulus-responsive shape transformations over time. In contrast to conventional forward simulations, which predict deformation from a given initial configuration, our inverse approach seeks to determine the required printed geometry that will evolve into a desired final shape under specific external stimuli. The proposed framework incorporates viscoelasticity, geometric nonlinearity and time-dependent behavior into the FEM solver, formulating the inverse design task as an optimization problem. It enables users to specify custom target shapes and boundary conditions, thereby providing the flexibility needed to address a wide range of design scenarios. A comprehensive implementation workflow of the framework is also presented. To demonstrate the versatility and feasibility of our approach, we present two representative case studies: a classic bilayer actuator with 4D-printed normal hydrogel and a soft gripper with electrically responsive hydrogel. The results confirm the framework's accuracy and adaptability to different external stimulus, highlighting its potential as a practical computational design tool for the inverse design of 4D printed structures.
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Le contrôle bibliographique ouvert
DOI retrouvé dans Crossref DOI retrouvé ; titre concordant.
- Titre Crossref
- Inverse design framework for 4D printed structures using the finite element method
- Date Crossref
- 27/11/2025
- Éditeur
- Springer Science and Business Media LLC
- Type
- journal-article
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Où se fait cette recherche
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Ritsumeikan University Department of Robotics pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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University of Hong Kong pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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South China University of Technology pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Yamagata University Department of Mechanical Systems Engineering pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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The Hong Kong University of Science and Technology (Guangzhou) Robotics & Autonomous Systems Thrust pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
Department of Robotics — Ritsumeikan University, University of Hong Kong et South China University of Technology, avec 2 autres affiliations.
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