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。

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