Exploiting Multi-Stability to Enable Mechanical Intelligence for Versatile and Efficient Control of Soft Robotic Locomotion and Manipulation

利用多稳定性实现机械智能,实现软机器人运动和操纵的多功能、高效控制

基本信息

  • 批准号:
    1933124
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 27.59万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-01 至 2022-10-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project supports the fundamental research that aims to harness elastic multi-stability and transform the design and dynamic control of compliant and continuous robots (aka. "soft robots"). The ongoing advances in bio-mimicry, material science, fabrication technology, and control theory are enabling us to build genuinely soft robots that can collaborate with humans in unstructured and dynamic task environments. These robots are significantly superior and safer than the traditional rigid robots in disaster relief efforts, minimal-invasive surgeries, and assistive healthcare. However, the compliant and continuous nature of soft robots, as well as the fact that they are severely underactuated, imposes significant challenges for effective dynamic modeling and control. This research will, for the first time, systematically examine the use of multi-stability in soft robots to address these critical challenges. Multi-stability can create a "mechanical intelligence" in the body of a soft robot because it can coordinate (or sequence) the robotic motion and re-configure the state-space without relying on any digital controllers. In this way, one can directly "outsource" the low-level control tasks to the robotic body and formulate a hybrid mechanical-digital approach for dynamic modeling and control with unprecedented efficiency and effectiveness. The project will also sup-port different educational activities, such as using origami folded robots as the teaching tool, to in-spire and prepare students for their future career in the Science, Technology, Engineering, and Mathematics fields. This research will formulate an integrated framework, e.g., dynamic modeling, design, and fabrica-tion,- to unleash the potential of the aforementioned mechanical intelligence by multi-stability. The research team will use origami as the physical platform and complete a hierarchy of research tasks: 1) modeling and fabrication of robotic modules with prescribed and adaptive bi-stability; 2) design and validation of robotic components with embedded mechanical intelligence, and 3) con-struction of full robots with an interface between mechanical and digital intelligence. To complete these research tasks, the research team will derive new dynamic models for the bistable origami modules by expanding the absolute nodal coordinate formulation, develop design methodologies based on multi-objective optimization algorithms, and use responsive materials such as shape memory polymers to ensure the versatility and robustness of mechanical intelligence. Upon com-pletion, the research team will deliver demonstration robots that exploit the hybrid mechanical-digital intelligence for locomotion or manipulation. In these robots, the lower-level control tasks (such as locomotion gait generation) are executed by the embedded intelligence in the mechanical domain, while the high-level tasks (such as changing locomotion direction and speed according to the working environment) are achieved by sensors and controllers in the digital domain.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该项目支持基础研究,旨在利用弹性多稳定性并改变顺应性连续机器人(又名“软机器人”)的设计和动态控制。 仿生学、材料科学、制造技术和控制理论的不断进步使我们能够构建真正的软机器人,可以在非结构化和动态任务环境中与人类协作。 这些机器人在救灾、微创手术和辅助医疗方面比传统的刚性机器人明显优越和安全。 然而,软机器人的顺从性和连续性,以及它们严重欠驱动的事实,给有效的动态建模和控制带来了重大挑战。 这项研究将首次系统地研究软机器人中多稳定性的使用,以应对这些关键挑战。 多稳定性可以在软机器人的身体中创建“机械智能”,因为它可以协调(或排序)机器人运动并重新配置状态空间,而无需依赖任何数字控制器。 通过这种方式,人们可以直接将低级控制任务“外包”给机器人本体,并以前所未有的效率和效果制定一种用于动态建模和控制的混合机械数字方法。 该项目还将支持不同的教育活动,例如使用折纸折叠机器人作为教学工具,启发学生并为其未来在科学、技术、工程和数学领域的职业生涯做好准备。这项研究将制定一个集成框架,例如动态建模、设计和制造,以通过多稳定性释放上述机械智能的潜力。 研究团队将使用折纸作为物理平台,完成一系列研究任务:1)具有规定和自适应双稳定性的机器人模块的建模和制造; 2) 设计和验证具有嵌入式机械智能的机器人组件,以及 3) 构建具有机械智能和数字智能之间接口的完整机器人。 为了完成这些研究任务,研究团队将通过扩展绝对节点坐标公式导出双稳态折纸模块的新动态模型,开发基于多目标优化算法的设计方法,并使用形状记忆聚合物等响应材料来确保机械智能的多功能性和鲁棒性。 完成后,研究团队将交付演示机器人,利用混合机械数字智能进行运动或操纵。 在这些机器人中,较低级别的控制任务(例如运动步态生成)由机械领域的嵌入式智能执行,而高级任务(例如根据工作环境改变运动方向和速度)则实现该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Physical reservoir computing with origami: a feasibility study
使用折纸进行物理储层计算:可行性研究
TMP origami jumping mechanism with nonlinear stiffness
具有非线性刚度的TMP折纸跳跃机构
  • DOI:
    10.1088/1361-665x/abf5b2
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Sadeghi, Sahand;Allison, Samuel R;Bestill, Blake;Li, Suyi
  • 通讯作者:
    Li, Suyi
Harnessing the Multistability of Kresling Origami for Reconfigurable Articulation in Soft Robotic Arms
利用 Kresling Origami 的多稳定性实现软机械臂的可重构关节
  • DOI:
    10.1089/soro.2020.0075
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.9
  • 作者:
    Kaufmann, Joshua;Bhovad, Priyanka;Li, Suyi
  • 通讯作者:
    Li, Suyi
Pneumatic Soft Actuators With Kirigami Skins
带 Kirigami Skins 的气动软执行器
  • DOI:
    10.3389/frobt.2021.749051
  • 发表时间:
    2021-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Khosravi, Hesameddin;Iannucci, Steven M.;Li, Suyi
  • 通讯作者:
    Li, Suyi
Pneumatic Extension Actuators With Kirigami Skins
带 Kirigami Skins 的气动延伸执行器
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Suyi Li其他文献

Design of sleeveless blood pressure measuring instrument based on pulse wave transit time: Design of sleeveless blood pressure measuring instrument based on pulse wave transit time
基于脉搏波传导时间的无袖血压测量仪设计:基于脉搏波传导时间的无袖血压测量仪设计
Fluidic flexible matrix composites for autonomous structural tailoring
用于自主结构定制的流体柔性基体复合材料
  • DOI:
    10.1117/12.715080
  • 发表时间:
    2007-04-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Ying Shan;A. Lotfi;M. Philen;Suyi Li;C. Bakis;C. Rahn;K. W. Wang
  • 通讯作者:
    K. W. Wang
George: Learning to Place Long-Lived Containers in Large Clusters with Operation Constraints
George:学习将长寿命容器放置在具有操作约束的大型集群中
Development of Communication & Storage System for NIR Spectrometer Based on ARM-Linux
通讯发展
The effect of liver metastases on clinical efficacy of first‐line programmed death‐1 inhibitor plus chemotherapy in esophageal squamous cell carcinoma: A post hoc analysis of ASTRUM‐007 and meta‐analysis
肝转移对一线程序性死亡1抑制剂联合化疗治疗食管鳞癌临床疗效的影响:ASTRUM-007的事后分析和荟萃分析
  • DOI:
    10.1002/cam4.7203
  • 发表时间:
    2024-05-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Jing Gao;Yan Song;X. Kou;Zhenbo Tan;Shu Zhang;Meili Sun;Jin Zhou;Min Fan;Ming Zhang;Yongxiang Song;Suyi Li;Yuan Yuan;Zhuang Wu;Jingdong Zhang;Li Zhang;Hao Jiang;Kangsheng Gu;H. Ye;Yingyue Ke;Xiao Qi;Qingyu Wang;Jun Zhu;Jing Huang
  • 通讯作者:
    Jing Huang

Suyi Li的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Suyi Li', 18)}}的其他基金

Collaborative Research: Plant-Inspired Growing Robots Operating in Multiple Time Scales
协作研究:在多个时间尺度上运行的植物启发种植机器人
  • 批准号:
    2312422
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: Leveraging the Three-Dimensional Multi-Stability from Origami Folding to Synthesize Multi-Functional Material Systems
职业:利用折纸折叠的三维多稳定性来合成多功能材料系统
  • 批准号:
    2240211
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Exploiting Multi-Stability to Enable Mechanical Intelligence for Versatile and Efficient Control of Soft Robotic Locomotion and Manipulation
利用多稳定性实现机械智能,实现软机器人运动和操纵的多功能、高效控制
  • 批准号:
    2239673
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Establishing a Design Framework for Multi-functional composites by Leveraging Kirigami Cutting, Multi-stability, and Multi-level Optimization
利用 Kirigami 切割、多稳定性和多级优化建立多功能复合材料的设计框架
  • 批准号:
    2240326
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Establishing a Design Framework for Multi-functional composites by Leveraging Kirigami Cutting, Multi-stability, and Multi-level Optimization
利用 Kirigami 切割、多稳定性和多级优化建立多功能复合材料的设计框架
  • 批准号:
    1760943
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: Leveraging the Three-Dimensional Multi-Stability from Origami Folding to Synthesize Multi-Functional Material Systems
职业:利用折纸折叠的三维多稳定性来合成多功能材料系统
  • 批准号:
    1751449
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: Uncovering the Dynamics and Functionality of Origami Structures and Materials
合作研究:揭示折纸结构和材料的动力学和功能
  • 批准号:
    1633952
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

基于金属离子调控藻红蛋白的多尺度结构变化及稳定性增强机制
  • 批准号:
    32302004
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
面向网络化控制系统的多源诱发时滞相关稳定分析与鲁棒控制
  • 批准号:
    62373337
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    50 万元
  • 项目类别:
    面上项目
准静态的非线性热多孔弹性力学模型稳定的全离散多物理场有限元方法及其应用
  • 批准号:
    12371393
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    43.5 万元
  • 项目类别:
    面上项目
手性钌多吡啶配合物调控稳定分子间三螺旋RNA的分子机制研究
  • 批准号:
    22377102
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    50 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于多源遥感数据的南极Nansen冰架稳定性研究
  • 批准号:
    42306256
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似海外基金

Deformation on equivariant completions of vector groups into Fano varieties and K-stability
向量组等变完成变形为 Fano 簇和 K 稳定性
  • 批准号:
    23K03047
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Long-acting multi prevention implant for 2-year contraception and HIV PrEP
用于 2 年避孕和 HIV PrEP 的长效多重预防植入物
  • 批准号:
    10619811
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
Identification of smooth muscle cell genes causal in atherosclerotic plaque stability and cardiovascular disease risk
鉴定导致动脉粥样硬化斑块稳定性和心血管疾病风险的平滑肌细胞基因
  • 批准号:
    10720225
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
CRISPR gene therapies targeting tau in Alzheimer's disease and tauopathies
针对阿尔茨海默病和 tau 病中 tau 蛋白的 CRISPR 基因疗法
  • 批准号:
    10752745
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
Stability in multi-period matching
多周期匹配的稳定性
  • 批准号:
    23K01312
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 27.59万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了