Mechanical metamaterials are artificial structures whose properties originate from their geometry. In such structures, it is now shown that topological modes can exist that are robust against a range of structural deformations. Mechanical metamaterials are artificial structures with unusual properties, such as negative Poisson ratio, bistability or tunable vibrational properties, that originate in the geometry of their unit cell1,2,3,4,5. Often at the heart of such unusual behaviour is a soft mode: a motion that does not significantly stretch or compress the links between constituent elements. When activated by motors or external fields, soft modes become the building blocks of robots and smart materials. Here, we demonstrate the existence of topological soft modes that can be positioned at desired locations in a metamaterial while being robust against a wide range of structural deformations or changes in material parameters6,7,8,9,10. These protected modes, localized at dislocations in deformed kagome and square lattices, are the mechanical analogue of topological states bound to defects in electronic systems11,12,13,14. We create physical realizations of the topological modes in prototypes of kagome lattices built out of rigid triangular plates. We show mathematically that they originate from the interplay between two Berry phases: the Burgers vector of the dislocation and the topological polarization of the lattice. Our work paves the way towards engineering topologically protected nanomechanical structures for molecular robotics or information storage and read-out.

We show that the simplest building blocks of origami-based materials-rigid, degree-four vertices-are generically multistable. The existence of two distinct branches of folding motion emerging from the flat state suggests at least bistability, but we show how nonlinearities in the folding motions allow generic vertex geometries to have as many as five stable states. In special geometries with collinear folds and symmetry, more branches emerge leading to as many as six stable states. Tuning the fold energy parameters, we show how monostability is also possible. Finally, we show how to program the stability features of a single vertex into a periodic fold tessellation. The resulting metasheets provide a previously unanticipated functionality-tunable and switchable shape and size via multistability.

Networks of rigid bars connected by joints, termed linkages, provide a minimal framework to design robotic arms and mechanical metamaterials built out of folding components. Here, we investigate a chain-like linkage that, according to linear elasticity, behaves like a topological mechanical insulator whose zero-energy modes are localized at the edge. Simple experiments we performed using prototypes of the chain vividly illustrate how the soft motion, initially localized at the edge, can in fact propagate unobstructed all the way to the opposite end. We demonstrate using real prototypes, simulations and analytical models that the chain is a mechanical conductor, whose carriers are nonlinear solitary waves, not captured within linear elasticity. Indeed, the linkage prototype can be regarded as the simplest example of a topological metamaterial whose protected mechanical excitations are solitons, moving domain walls between distinct topological mechanical phases. More practically, we have built a topologically protected mechanism that can perform basic tasks such as transporting a mechanical state from one location to another. Our work paves the way towards adopting the principle of topological robustness in the design of robots assembled from activated linkages as well as in the fabrication of complex molecular nanostructures.

The homotopy theory of topological defects is a powerful tool for organizing and unifying many ideas across a broad range of physical systems. Recently, experimental progress was made in controlling and measuring colloidal inclusions in liquid crystalline phases. The topological structure of these systems is quite rich but, at the same time, subtle. Motivated by experiment and the power of topological reasoning, the classification of defects in uniaxial nematic liquid crystals was reviewed and expounded upon. Particular attention was paid to the ambiguities that arise in these systems, which have no counterpart in the much-storied $XY$ model or the Heisenberg ferromagnet.

Origami and kirigami have emerged as potential tools for the design of mechanical metamaterials whose properties such as curvature, Poisson ratio, and existence of metastable states can be tuned using purely geometric criteria. A major obstacle to exploiting this property is the scarcity of tools to identify and program the flexibility of fold patterns. We exploit a recent connection between spring networks and quantum topological states to design origami with localized folding motions at boundaries and study them both experimentally and theoretically. These folding motions exist due to an underlying topological invariant rather than a local imbalance between constraints and degrees of freedom. We give a simple example of a quasi-1D folding pattern that realizes such topological states. We also demonstrate how to generalize these topological design principles to two dimensions. A striking consequence is that a domain wall between two topologically distinct, mechanically rigid structures is deformable even when constraints locally match the degrees of freedom.Received 5 August 2015DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.135501© 2016 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasCompressive strengthContinuum mechanicsPhysical SystemsMetamaterialsCondensed Matter, Materials & Applied PhysicsInterdisciplinary Physics