Programmable Deformation Design of Porous Soft Actuator through Volumetric-Pattern-Induced Anisotropy

📄 arXiv: 2512.12320v1 📥 PDF

作者: Canqi Meng, Weibang Bai

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-13

💡 一句话要点

提出基于体积图案诱导各向异性的多孔软体驱动器可编程形变设计方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 可编程形变 多孔材料 各向异性 有限元分析

📋 核心要点

  1. 传统软体驱动器依赖空腔结构，支撑性差，且功能扩展需重新设计几何结构，成本高昂。
  2. 该论文提出通过在多孔材料上切割特定图案，引入局部各向异性，实现可编程的形变控制。
  3. 实验结果表明，该方法能够实现弯曲、倾斜和扭转等多种形变模式，并成功应用于仿生机器人手。

📝 摘要（中文）

传统软气动驱动器通常基于空心弹性体腔室，存在结构支撑不足的问题，且多模态功能需要昂贵的几何结构特定重新设计。填充泡沫等多孔材料可以为驱动器提供结构稳定性。然而，通过定制多孔体本身来实现可编程形变的方法仍未被充分探索。本文提出了一种新颖的设计方法，通过在多孔泡沫体上切割特定图案来实现具有可编程形变的软多孔驱动器。该方法引入了泡沫的局部结构各向异性，引导材料在全局真空输入下的形变。此外，讨论了圆柱形泡沫基底上的三种基本图案：横向用于弯曲，纵向用于倾斜，对角线用于扭转。利用有限元分析（FEA）建立计算模型，研究切口图案法的机理。实验表明，通过潜在的最优图案阵列数N，驱动器可以实现高达80°（N=2）的弯曲，18°（N=1）的倾斜和115°（N=8）的扭转。通过图案可转移性、可扩展性和复杂设计的无模具快速原型验证了该方法的多功能性。作为一个综合应用，我们将人手褶皱图转化为功能性切口图案，创造了一种能够像人手一样进行自适应抓取的仿生软机器人手。这项工作为多功能软多孔机器人的设计提供了一种新的、高效且可扩展的范例。

🔬 方法详解

问题定义：传统软体气动驱动器依赖于空腔结构来实现形变，这种结构在提供支撑力方面存在天然的不足。为了实现复杂的功能，往往需要针对特定的几何形状进行重新设计，这导致了高昂的开发成本和较长的开发周期。因此，如何提高软体驱动器的结构稳定性和可编程性，同时降低设计和制造成本，是一个亟待解决的问题。

核心思路：该论文的核心思路是通过在多孔材料（如泡沫）中引入特定的切口图案，来控制材料的局部各向异性。通过改变切口图案的形状、方向和排列方式，可以精确地控制材料在受到外部激励（如真空）时产生的形变。这种方法避免了复杂的几何结构设计，而是通过简单的切口操作来实现可编程的形变。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个步骤：1) 选择合适的多孔材料作为基底；2) 根据所需的形变模式，设计相应的切口图案；3) 使用有限元分析（FEA）对设计进行仿真验证，优化图案参数；4) 通过切割或其他制造工艺，将图案刻在多孔材料上；5) 对驱动器进行实验测试，验证其性能。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于提出了利用体积图案诱导各向异性的方法来实现软体驱动器的可编程形变。与传统的依赖几何结构设计的方法相比，该方法更加灵活、高效，并且易于扩展。通过简单的切口操作，就可以实现复杂的形变模式，大大降低了设计和制造成本。

关键设计：论文中讨论了三种基本的切口图案：横向切口用于弯曲，纵向切口用于倾斜，对角线切口用于扭转。关键参数包括切口的形状、大小、间距和排列方式。通过调整这些参数，可以精确地控制驱动器的形变程度和方向。此外，论文还探讨了图案阵列数量N对驱动器性能的影响，并发现存在一个最优的N值，可以使驱动器达到最佳的形变效果。

📊 实验亮点

实验结果表明，通过优化切口图案的设计，驱动器可以实现高达80°的弯曲（N=2），18°的倾斜（N=1）和115°的扭转（N=8）。此外，该方法还具有图案可转移性、可扩展性和无模具快速原型等优点，使得复杂设计的制造更加便捷高效。仿生机器人手实验验证了该方法在复杂抓取任务中的有效性。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于软体机器人、自适应抓取器、生物医学设备等领域。例如，可用于开发具有灵活运动能力的软体机器人，用于执行复杂环境下的搜索、救援或医疗任务。此外，该技术还可用于制造可穿戴设备，如智能服装或康复机器人，以帮助人们进行运动训练或辅助日常生活。

📄 摘要（原文）

Conventional soft pneumatic actuators, typically based on hollow elastomeric chambers, often suffer from small structural support and require costly geometry-specific redesigns for multimodal functionality. Porous materials such as foam, filled into chambers, can provide structural stability for the actuators. However, methods to achieve programmable deformation by tailoring the porous body itself remain underexplored. In this paper, a novel design method is presented to realize soft porous actuators with programmable deformation by incising specific patterns into the porous foam body. This approach introduces localized structural anisotropy of the foam guiding the material's deformation under a global vacuum input. Furthermore, three fundamental patterns on a cylindrical foam substrate are discussed: transverse for bending, longitudinal for tilting, and diagonal for twisting. A computational model is built with Finite Element Analysis (FEA), to investigate the mechanism of the incision-patterning method. Experiments demonstrate that with a potential optimal design of the pattern array number N, actuators can achieve bending up to $80^{\circ}$ (N=2), tilting of $18^{\circ}$ (N=1), and twisting of $115^{\circ}$ (N=8). The versatility of our approach is demonstrated via pattern transferability, scalability, and mold-less rapid prototyping of complex designs. As a comprehensive application, we translate the human hand crease map into a functional incision pattern, creating a bio-inspired soft robot hand capable of human-like adaptive grasping. Our work provides a new, efficient, and scalable paradigm for the design of multi-functional soft porous robots.