Topology optimization is a powerful tool for designing structures in many fields, but has been limited to static or passively moving objects made of hard materials. Designing soft and actively moving objects, such as soft robots equipped with actuators, poses a challenge because the optimal structure depends on how the object will move and simulating dynamics problems is difficult. We propose "4D topology optimization," which extends density-based topology optimization to include time, as a method for optimizing the structure and movement of self-actuating soft bodies. The method represents the layout of both material and time-varying actuation using multi-index density variables distributed over the design domain, thus allowing simultaneous optimization of structure and movement using gradient-based methods. Forward and backward simulations of soft bodies are done using the material point method, a Lagrangian--Eulerian hybrid approach, implemented on a recent automatic differentiation framework. We present several numerical examples of designing self-actuating soft bodies targeted for locomotion, posture control, and rotation tasks. The results demonstrate that our method can successfully design complex shaped and biomimetic moving soft bodies due to its high degree of design freedom.


翻译:地形优化是设计许多领域结构的有力工具,但仅限于由硬材料制成的静态或被动移动物体。设计软性和主动移动物体,如配备动画器的软机器人,是一项挑战,因为最佳结构取决于物体移动的方式和模拟动态问题十分困难。我们提议“4D地形优化”,扩大基于密度的地形优化,以包括时间,作为优化自动软体的结构和移动的方法。这种方法代表材料和时间变化的激活的布局,使用分布在设计领域的多指数密度变量,从而允许同时优化结构和使用梯度方法的移动。软体的前向和后向模拟采用材料点方法,即拉格兰吉-尤利安混合法,在最近一个自动区分框架下实施。我们举出了几个数字例子,说明设计自动软体以移动、姿势控制和旋转为对象的自动软体。结果表明,我们的方法能够成功地设计出复杂的形状和生物模拟软体移动,因为其设计自由度很高。

0
下载
关闭预览

相关内容

机器学习组合优化
专知会员服务
108+阅读 · 2021年2月16日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
71+阅读 · 2020年8月2日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
30+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
174+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
77+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
计算机 | EMNLP 2019等国际会议信息6条
Call4Papers
18+阅读 · 2019年4月26日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
Arxiv
14+阅读 · 2020年12月17日
VIP会员
相关VIP内容
机器学习组合优化
专知会员服务
108+阅读 · 2021年2月16日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
71+阅读 · 2020年8月2日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
30+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
174+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
77+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
计算机 | EMNLP 2019等国际会议信息6条
Call4Papers
18+阅读 · 2019年4月26日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员