基于物质点法与拓扑优化的磁驱动软体机器人大变形与接触协同设计
机器人学
2025-07-15 v2 计算工程、金融与科学
摘要
嵌入硬磁颗粒的磁驱动软体机器人可通过外部磁场实现无系绳驱动，提供远程、快速且精确的控制，在生物医学应用中极具前景。然而，由于磁弹性动力学、大变形、固体接触、时变刺激以及依赖于姿态的载荷之间复杂的相互作用，设计此类系统极具挑战性。因此，现有的大多数研究依赖于启发式和试错方法，或侧重于在静态条件下独立设计刺激或结构。我们提出了一种针对磁驱动软体机器人的拓扑优化框架，该框架考虑了大变形、动态运动和固体接触，可同时设计结构、特定位置的材料磁化以及时变磁场刺激。这是通过将广义拓扑优化与磁弹性物质点法相结合来实现的，该方法支持 GPU 加速的并行仿真和用于灵敏度分析的自动微分。我们将该框架应用于设计执行各种任务的磁驱动机器人，包括 2D 和 3D 中的多任务形状变形与移动。该方法无需人工干预即可自主生成优化的机器人系统以实现目标行为。尽管存在非线性物理和庞大的设计空间，它仍展现出极高的计算效率，可在几分钟内完成所有算例。该框架为超表面、药物递送和微创手术等应用中有源软材料的自主协同设计提供了计算基础。
引用
@article{arxiv.2503.22767,
title = {Co-design of magnetic soft robots with large deformation and contacts via material point method and topology optimization},
author = {Liwei Wang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.22767},
year = {2025}
}