The effective mechanical properties of the octet-truss lattice structured material have been investigated both experimentally and theoretically. Analytical and FE calculations of the elastic properties and plastic yielding collapse surfaces are reported. The intervention of elastic buckling of the struts is also analysed in an approximate manner. Good agreement is found between the predictions of the strength and experimental observations from tests on the octet-truss material made from a casting aluminium alloy. Moreover, the strength and stiffness of the octet-truss material are stretching-dominated and compare favourably with the corresponding properties of metallic foams. Thus, the octet-truss lattice material can be considered as a promising alternative to metallic foams in lightweight structures.

Cellular solids can deform by either the bending or stretching of the cell walls. While most cellular solids are bending-dominated, those that are stretching-dominated are much more weight-efficient for structural applications. In this study we have investigated the topological criteria that dictate the deformation mechanism of a cellular solid by analysing the rigidity (or otherwise) of pin-jointed frameworks comprising inextensional struts. We show that the minimum node connectivity for a special class of lattice structured materials to be stretching-dominated is 6 for 2D foams and 12 for 3D foams. Similarly, sandwich plates comprising of truss cores faced with planar trusses require a minimum node connectivity of 9 to undergo stretching-dominated deformation for all loading states.

The yield behaviour of two aluminium alloy foams (Alporas and Duocel) has been investigated for a range of axisymmetric compressive stress states. The initial yield surface has been measured, and the evolution of the yield surface has been explored for uniaxial and hydrostatic stress paths. It is found that the hydrostatic yield strength is of similar magnitude to the uniaxial yield strength. The yield surfaces are of quadratic shape in the stress space of mean stress versus effective stress, and evolve without corner formation. Two phenomenological isotropic constitutive models for the plastic behaviour are proposed. The first is based on a geometrically self-similar yield surface while the second is more complex and allows for a change in shape of the yield surface due to differential hardening along the hydrostatic and deviatoric axes. Good agreement is observed between the experimentally measured stress versus strain responses and the predictions of the models.

Micro-architectured materials offer the opportunity of obtaining unique combinations of material properties. First, a historical perspective is given to the expansion of material property space by the introduction of new alloys and new microstructures. Principles of design of micro-architecture are then given and the role of nodal connectivity is emphasized for monoscale and multi-scale microstructures. The stiffness, strength and damage tolerance of lattice materials are reviewed and compared with those of fully dense solids. It is demonstrated that micro-architectured materials are able to occupy regions of material property space (such as high stiffness, strength and fracture toughness at low density) that were hitherto empty. Some challenges for the development of future materials are highlighted.

The high strain rate compressive behaviour of two cellular aluminium alloys (Alulight and Duocel) has been investigated using the split Hopkinson pressure bar and direct impact tests. It is found that the dynamic behaviour of these foams is very similar to their quasi-static behaviour. The plateau stress is almost insensitive to strain rate, for strain rates ε̇ up to 5000s−1. Deformation is localised in weak bands in the Alulight foam but is spatially uniform for the Duocel foam, over the full range of strain rates 10−3s−1⩽ε̇⩽5000s−1.

A systematic design procedure has been developed for analyzing the blast resistance of clamped sandwich beams. The structural response of the sandwich beam is split into three sequential steps: stage I is the one-dimensional fluid-structure interaction problem during the blast loading event, and results in a uniform velocity of the outer face sheet; during stage II the core crushes and the velocities of the faces and core become equalized by momentum sharing; stage III is the retardation phase over which the beam is brought to rest by plastic bending and stretching. The third-stage analytical procedure is used to obtain the dynamic response of a clamped sandwich beam to an imposed impulse. Performance charts for a wide range of sandwich core topologies are constructed for both air and water blast, with the monolithic beam taken as the reference case. These performance charts are used to determine the optimal geometry to maximize blast resistance for a given mass of sandwich beam. For the case of water blast, an order of magnitude improvement in blast resistance is achieved by employing sandwich construction, with the diamond-celled core providing the best blast performance. However, in air blast, sandwich construction gives only a moderate gain in blast resistance compared to monolithic construction.

Sandwich beams, comprising a truss core and either solid or triangulated face-sheets, have been investment cast in an aluminium–silicon alloy and in silicon brass. The macroscopic effective stiffness and strength of the triangulated face-sheets and tetrahedral core are estimated by idealising them as pin-jointed assemblies; tests show that this approximation is adequate. Next, the collapse responses of these sandwich beams in 3-point bending are measured. Collapse is by four competing mechanisms: face-yield, face-wrinkling, indentation and core shear, with the active collapse mode dependent upon the beam geometry and yield strain of the material. Upper bound expressions for the collapse loads are given in terms of the effective properties of the faces and core of the sandwich beam; these upper bounds are in good agreement with the measured beam response, and are used to construct collapse mechanism maps with beam geometrical parameters as the axes. The maps are useful for selecting sandwich beams of minimum weight for a given structural load index. The optimisation reveals that truss core sandwich beams are significantly lighter than the competing concept of sandwich beams with a metallic foam core.

Physical forces generated by cells drive morphologic changes during development and can feedback to regulate cellular phenotypes. Because these phenomena typically occur within a 3-dimensional (3D) matrix in vivo, we used microelectromechanical systems (MEMS) technology to generate arrays of microtissues consisting of cells encapsulated within 3D micropatterned matrices. Microcantilevers were used to simultaneously constrain the remodeling of a collagen gel and to report forces generated during this process. By concurrently measuring forces and observing matrix remodeling at cellular length scales, we report an initial correlation and later decoupling between cellular contractile forces and changes in tissue morphology. Independently varying the mechanical stiffness of the cantilevers and collagen matrix revealed that cellular forces increased with boundary or matrix rigidity whereas levels of cytoskeletal and extracellular matrix (ECM) proteins correlated with levels of mechanical stress. By mapping these relationships between cellular and matrix mechanics, cellular forces, and protein expression onto a bio-chemo-mechanical model of microtissue contractility, we demonstrate how intratissue gradients of mechanical stress can emerge from collective cellular contractility and finally, how such gradients can be used to engineer protein composition and organization within a 3D tissue. Together, these findings highlight a complex and dynamic relationship between cellular forces, ECM remodeling, and cellular phenotype and describe a system to study and apply this relationship within engineered 3D microtissues.

A simple snap-fit and vacuum brazing method has been developed to fabricate three dimensional space filling octet-truss lattice structures from Ti–6Al–4V alloy sheets. Using strut lengths of 7–25 mm resulted in a relative density of the lattices ranging from 2% to 16%. The lattice elastic stiffness constants and strengths have been characterized under through-thickness compression and in-plane shear as a function of their relative density, and are shown to be well predicted by previously proposed micromechanical models adapted to account for the increased nodal mass and strut separations of the snap-fit lattice design. The Ti–6Al–4V octet-truss lattices exhibit excellent mechanical properties compared to other cellular material – cell topology combinations, and appear to be promising candidates for high temperature applications where a robust mechanical performance is required.

Access to robust and information-rich human cardiac tissue models would accelerate drug-based strategies for treating heart disease. Despite significant effort, the generation of high-fidelity adult-like human cardiac tissue analogs remains challenging. We used computational modeling of tissue contraction and assembly mechanics in conjunction with microfabricated constraints to guide the design of aligned and functional 3D human pluripotent stem cell (hPSC)-derived cardiac microtissues that we term cardiac microwires (CMWs). Miniaturization of the platform circumvented the need for tissue vascularization and enabled higher-throughput image-based analysis of CMW drug responsiveness. CMW tissue properties could be tuned using electromechanical stimuli and cell composition. Specifically, controlling self-assembly of 3D tissues in aligned collagen, and pacing with point stimulation electrodes, were found to promote cardiac maturation-associated gene expression and in vivo-like electrical signal propagation. Furthermore, screening a range of hPSC-derived cardiac cell ratios identified that 75% NKX2 Homeobox 5 (NKX2-5)+ cardiomyocytes and 25% Cluster of Differentiation 90 OR (CD90)+ nonmyocytes optimized tissue remodeling dynamics and yielded enhanced structural and functional properties. Finally, we demonstrate the utility of the optimized platform in a tachycardic model of arrhythmogenesis, an aspect of cardiac electrophysiology not previously recapitulated in 3D in vitro hPSC-derived cardiac microtissue models. The design criteria identified with our CMW platform should accelerate the development of predictive in vitro assays of human heart tissue function.