Computational Design and Fabrication of Modular Robots with Untethered Control
作者: Manas Bhargava, Takefumi Hiraki, Malina Strugaru, Yuhan Zhang, Michal Piovarci, Chiara Daraio, Daisuke Iwai, Bernd Bickel
分类: cs.RO
发布日期: 2025-08-07 (更新: 2025-08-31)
💡 一句话要点
提出基于LCE肌肉的模块化机器人设计与计算优化框架，实现无束缚控制
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 模块化机器人 液晶弹性体 无束缚控制 计算设计 骨骼优化
📋 核心要点
- 现有软体机器人通常针对单一功能优化，缺乏按需改变形状或功能的能力，或依赖笨重的控制系统。
- 本文提出一种模块化机器人设计框架，结合3D打印骨骼和LCE肌肉，实现轻量化、分布式驱动和无束缚控制。
- 通过计算工具优化骨骼结构和控制步态，构建了具有复杂形变、多样控制和环境适应性的机器人原型。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种用于设计和控制分布式驱动机器人的框架。该框架利用3D打印骨骼和液晶弹性体(LCE)肌肉作为轻量级执行器，构建模块化肌肉骨骼机器人。通过红外辐射控制LCE棒的收缩，实现对分布式骨骼网络的局部、无束缚控制，从而产生机器人的全局形变。为了充分利用广泛的设计空间，本文引入了两种计算工具：一种用于优化机器人骨骼图以实现多个目标形变，另一种用于协同优化骨骼设计和控制步态以实现所需的运动。通过构建多个机器人验证了该框架，展示了复杂的形状变形、多样化的控制方案和环境适应性。该系统集成了模块化材料构建、无束缚分布式控制和计算设计方面的进展，从而创造了新一代更接近生物能力的机器人。
🔬 方法详解
问题定义：现有软体机器人设计面临的挑战在于难以兼顾多功能性、形状/功能可变性以及控制的便捷性。许多系统针对特定任务优化，无法灵活适应新需求，并且通常需要外部电源或控制单元，限制了其应用范围。
核心思路：本文的核心在于利用模块化的设计思想，将机器人分解为可独立控制的单元，并通过分布式驱动来实现全局的复杂运动。LCE肌肉作为轻量级执行器，能够响应外部刺激（红外辐射）而产生形变，从而实现无束缚控制。计算优化工具则用于指导骨骼结构和控制策略的设计，以满足特定的任务需求。
技术框架：该框架包含以下几个主要模块：1) 模块化材料构建：使用3D打印技术制造骨骼，并集成LCE肌肉作为执行器。2) 无束缚分布式控制：通过红外辐射控制LCE肌肉的收缩，实现对骨骼网络的局部控制。3) 计算设计工具：包括骨骼图优化器和骨骼-控制协同优化器。骨骼图优化器用于寻找能够实现多个目标形变的骨骼结构，而协同优化器则同时优化骨骼设计和控制步态，以实现所需的运动。
关键创新：该方法最重要的创新在于将模块化设计、无束缚控制和计算优化相结合，从而实现了具有高度灵活性和适应性的机器人。与传统的软体机器人相比，该方法能够更容易地实现形状和功能的改变，并且无需外部电源或控制单元。此外，计算优化工具能够有效地利用设计空间，找到满足特定任务需求的最佳解决方案。
关键设计：LCE肌肉的设计包括材料选择、尺寸和形状的优化，以确保其能够产生足够的力和形变。骨骼图优化器使用遗传算法或梯度下降等方法来搜索最佳的骨骼结构。骨骼-控制协同优化器则需要同时优化骨骼参数和控制参数，例如红外辐射的强度和时间序列。损失函数的设计需要考虑多个目标，例如形变的精度、运动的速度和能量消耗。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
通过实验验证，该框架能够成功构建具有复杂形状变形、多样化控制方案和环境适应性的机器人。例如，一个机器人能够实现多种不同的目标形变，另一个机器人能够在不同地形上进行运动。这些实验结果表明，该框架具有很强的实用性和潜力。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于搜索救援、医疗康复、环境勘探等领域。模块化设计使得机器人能够快速适应不同的任务需求，无束缚控制则使其能够在复杂环境中自由移动。未来，通过集成更多传感器和智能算法，此类机器人有望在更多领域发挥重要作用，例如精准医疗、智能制造等。
📄 摘要（原文）
Natural organisms utilize distributed actuation through their musculoskeletal systems to adapt their gait for traversing diverse terrains or to morph their bodies for varied tasks. A longstanding challenge in robotics is to emulate this capability of natural organisms, which has motivated the development of numerous soft robotic systems. However, such systems are generally optimized for a single functionality, lack the ability to change form or function on demand, or remain tethered to bulky control systems. To address these limitations, we present a framework for designing and controlling robots that utilize distributed actuation. We propose a novel building block that integrates 3D-printed bones with liquid crystal elastomer (LCE) muscles as lightweight actuators, enabling the modular assembly of musculoskeletal robots. We developed LCE rods that contract in response to infrared radiation, thereby providing localized, untethered control over the distributed skeletal network and producing global deformations of the robot. To fully capitalize on the extensive design space, we introduce two computational tools: one for optimizing the robot's skeletal graph to achieve multiple target deformations, and another for co-optimizing skeletal designs and control gaits to realize desired locomotion. We validate our framework by constructing several robots that demonstrate complex shape morphing, diverse control schemes, and environmental adaptability. Our system integrates advances in modular material building, untethered and distributed control, and computational design to introduce a new generation of robots that brings us closer to the capabilities of living organisms.