Feedback Regulated Opto-Mechanical Soft Robotic Actuators

要約

自然生物は、環境の刺激を感覚フィードバックに変換して身体を調節し、積極的な適応性を実現します。
しかし、合成材料システムでこのようなフィードバック制御メカニズムを実現することは依然として大きな課題です。
応答性材料で複雑なフィードバック機構を実現すると、複雑な電子機器を使用せずに自律的でインテリジェントな構造と作動への道が開かれると考えられています。
生体システムに触発されて、我々は光応答性材料でそのようなフィードバック ループを設計および構築するための一般原理を報告します。
具体的には、プログラムされたフィードバックを光機械的応答性に組み込むバッフルアクチュエーター機構を設計します。
入射光線に対してバッフルの位置を指定するだけで、正および負のフィードバックがプログラムされます。
我々は、光を曲げるストリップからスイッチャーへの変換を実証します。このスイッチャーでは、正のフィードバックの下で光の強度がエネルギー障壁を決定し、多重安定形状モーフィングを実現します。
負のフィードバックとそれに関連する恒常性を利用して、2 つのソフト ロボット、つまり運動ロボットと水泳ロボットを実証します。
さらに、光応答性材料におけるフィードバックの遍在性を明らかにし、自己制御ロボットの問題について新たな洞察を提供します。

要約(オリジナル)

Natural organisms can convert environmental stimuli into sensory feedback to regulate their body and realize active adaptivity. However, realizing such a feedback-regulation mechanism in synthetic material systems remains a grand challenge. It is believed that achieving complex feedback mechanisms in responsive materials will pave the way toward autonomous, intelligent structure and actuation without complex electronics. Inspired by living systems, we report a general principle to design and construct such feedback loops in light-responsive materials. Specifically, we design a baffle-actuator mechanism to incorporate programmed feedback into the opto-mechanical responsiveness. By simply addressing the baffle position with respect to the incident light beam, positive and negative feedback are programmed. We demonstrate the transformation of a light-bending strip into a switcher, where the intensity of light determines the energy barrier under positive feedback, realizing multi-stable shape-morphing. By leveraging the negative feedback and associated homeostasis, we demonstrate two soft robots, i.e., a locomotor and a swimmer. Furthermore, we unveil the ubiquity of feedback in light-responsive materials, which provides new insight into self-regulated robotic matters.

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