Auxetics refer to a class of engineered structures which exhibit an overall negative Poisson's ratio. These structures open up various potential opportunities in impact resistance, high energy absorption, and flexible robotics, among others. Interestingly, auxetic structures could also be tailored to provide passive adaptation to changes in environmental stimuli -- an adaptation of this concept is explored in this paper in the context of designing a novel load-adaptive gripper system. Defining the design in terms of repeating parametric unit cells from which the finite structure can be synthesized presents an attractive computationally-efficient approach to designing auxetic structures. This approach also decouples the optimization cost and the size of the overall structure, and avoids the pitfalls of system-scale design e.g., via topology optimization. In this paper, a surrogate-based design optimization framework is presented to implement the concept of passively load-adaptive structures (of given outer shape) synthesized from auxetic unit cells. Open-source meshing, FEA and Bayesian Optimization tools are integrated to develop this computational framework, enhancing it adopt-ability and extensibility. Demonstration of the concept and the underlying framework is performed by designing a simplified robotic gripper, with the objective to maximize the ratio of towards-load (gripping) horizontal displacement to the load-affected vertical displacement. Optimal auxetic cell-based design generated thereof is found to be four times better in terms of exhibited contact reaction force when compared to a design obtained with topology optimization that is subjected to the same specified maximum loading.


翻译:缩略语是指一组工程结构,显示总体负 Poisson 比例。 这些结构在抗冲击、高能量吸收和灵活机器人等方面开辟了各种潜在机会。 有趣的是, 也可以根据环境刺激的变化, 被动地适应环境刺激的变化, 本文在设计一个新的负负适应性控制器系统时探讨了这一概念的调整。 定义了重复的参数单元结构的设计,从中可以合成有限的结构,这是设计辅助性结构的具有吸引力的具有计算效率的方法。 这一方法还拆解了优化成本和整体结构的规模,避免了系统规模设计(例如,通过表面优化)的陷阱。 在本文中,一个基于套头的设计优化框架是为了执行被动负负适应性结构(按外形)的概念,从一个复合单位细胞中合成。 开放源的优化、 FEA和Bayesian 缩写式的细胞结构工具,在设计这一计算性框架的优化后,将优化优化的优化成本成本成本成本,例如,通过表面优化设计设计, 将一个基于顶层设计, 优化设计框架, 将一个基于顶层调整的 优化 优化的 优化的 优化设计, 优化 优化 优化 优化 优化 优化 结构 的 将 的 优化 优化到 结构 将 将 至升级 的 将 与 的 的 的 的 与 的 优化 的 与 的 的 的 优化 的 的 的 整合成为 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的 的

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