Meta-Ori: monolithic meta-origami for nonlinear inflatable soft actuators

要約

柔らかい材料と細長い構造の非線形の機械的応答は、シーケンス、増幅された応答、ファスエネルギー放出など、ソフトロボットアクチュエーターの設計によるプログラム機能を意図的に活用しています。ただし、非線形アクチュエーターの典型的な設計 – 例えば
風船、逆膜、スプリング – 設計パラメーターのスペースと複雑な製造プロセスが限られており、より精巧な機能の達成を妨げます。
一方、機械的メタマテリアルには、非常に大きな設計パラメータースペースがあり、非線形動作の微調整を可能にします。
この作業では、メタマテリアルと折り紙（メタオリ）に基づいた非線形インフレータブルを、熱可塑性ポリウレタン（TPU）市販のファイルメントを使用して融合堆積モデリング（FDM）を介して完全に印刷できるモノリシック部分として製造するための新しいアプローチを提示します。
私たちのデザインは、円筒形のトポロジと非線形の機械的応答を備えたメタマテリアルシェルと、空気圧送信機として機能するKERSLING折り紙膨張可能なインフレータブルと組み合わせたもので構成されています。
視覚的なプログラミング言語Grasshopperで設計ツールを開発およびリリースして、メタオリをインタラクティブに設計しています。
メタシェルと折り紙の機械的応答、およびメタオリの膨張能力の非線形圧力容積曲線を特徴づけ、最後に、バイセグメントモノリシックメタオリソフトアクチュエータの作動シーケンスを実証します。

要約(オリジナル)

The nonlinear mechanical response of soft materials and slender structures is purposefully harnessed to program functions by design in soft robotic actuators, such as sequencing, amplified response, fast energy release, etc. However, typical designs of nonlinear actuators – e.g. balloons, inverted membranes, springs – have limited design parameters space and complex fabrication processes, hindering the achievement of more elaborated functions. Mechanical metamaterials, on the other hand, have very large design parameter spaces, which allow fine-tuning of nonlinear behaviours. In this work, we present a novel approach to fabricate nonlinear inflatables based on metamaterials and origami (Meta-Ori) as monolithic parts that can be fully 3D printed via Fused Deposition Modeling (FDM) using thermoplastic polyurethane (TPU) commercial filaments. Our design consists of a metamaterial shell with cylindrical topology and nonlinear mechanical response combined with a Kresling origami inflatable acting as a pneumatic transmitter. We develop and release a design tool in the visual programming language Grasshopper to interactively design our Meta-Ori. We characterize the mechanical response of the metashell and the origami, and the nonlinear pressure-volume curve of the Meta-Ori inflatable and, lastly, we demonstrate the actuation sequencing of a bi-segment monolithic Meta-Ori soft actuator.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google