Fluidic FlowBots: Intelligence embodied in the characteristics of recirculating fluid flow
作者: Maks Gepner, Jonah Mack, Francesco Giorgio-Serchi, Adam A. Stokes
分类: cs.RO
发布日期: 2023-12-08 (更新: 2024-04-01)
备注: 7 and a half pages, 7 figures, pre-print accepted to RoboSoft 2024
💡 一句话要点
提出FlowBots：利用流体循环特性实现内嵌智能的软体机器人控制
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软体机器人 流体控制 内嵌智能 流体循环 机器人设计
📋 核心要点
- 现有软体机器人控制依赖于复杂的布线架构，限制了其复杂行为的实现，亟需更简洁高效的控制方法。
- FlowBots利用连续流体循环的特性，将控制功能直接嵌入机器人结构，实现内嵌智能，简化控制系统。
- 通过三个FlowBot实例验证了流体循环在简化流体控制架构方面的有效性，并提供了设计和原型方法。
📝 摘要（中文）
传统软体机器人控制中，控制输入与执行器输出之间的一对一映射导致复杂的布线架构，限制了其行为的复杂性。本文提出FlowBots的概念，利用连续流体流动的特性，将复杂的控制功能直接嵌入到机器人结构中，从而实现内嵌智能。FlowBots具有鲁棒的、集成的、无移动部件的控制系统，支持整体增材制造、快速原型设计、更高的可持续性以及广泛的应用。通过双向执行器、夹爪和四足游泳机器人三个FlowBot实例，展示了流体循环特性如何简化流体模拟控制架构。最后，概述了设计和快速原型方法，以赋能该领域的研究人员探索这个新兴的设计领域，并设计他们自己的FlowBots。
🔬 方法详解
问题定义：现有软体机器人控制系统通常依赖于复杂的外部控制和布线，这限制了机器人小型化、集成化和复杂行为的实现。传统的控制方法难以将控制逻辑直接融入到机器人本体的设计中，导致系统复杂度和成本增加。此外，传统方法在可持续性和快速原型设计方面也存在挑战。
核心思路：FlowBots的核心思路是将控制功能“内嵌”到流体循环系统中。通过巧妙设计流体通道和流体动力学特性，使得机器人能够利用流体的流动状态（如流速、压力等）来实现特定的运动和行为。这种方法避免了复杂的外部控制电路和传感器，简化了机器人结构，提高了系统的鲁棒性和集成度。
技术框架：FlowBots的设计流程通常包括以下几个步骤：1) 确定目标行为和控制逻辑；2) 设计流体通道网络，利用流体循环实现所需的动力学特性；3) 选择合适的软体材料和制造工艺；4) 进行流体动力学仿真和优化；5) 制造原型并进行实验验证。整个框架强调流体动力学设计与软体材料的结合，以实现内嵌智能。
关键创新：FlowBots最重要的创新在于将控制功能从外部电路转移到机器人本体的流体循环系统中。这种内嵌智能的设计理念使得机器人能够自主地响应环境变化，而无需复杂的外部控制。与传统的基于瞬态或脉冲流动的软体机器人相比，FlowBots利用连续的流体循环，实现了更稳定、更可预测的控制效果。
关键设计：FlowBots的关键设计包括流体通道的几何形状、流体循环的驱动方式、以及软体材料的选择。例如，通道的宽度、长度和曲率会影响流体的流速和压力分布，从而影响机器人的运动。流体循环可以通过泵、气压或重力等方式驱动。软体材料的选择需要考虑其弹性模量、耐压性和与流体的兼容性。此外，还可以通过在流体通道中加入阀门或阻尼器等元件来进一步调节流体流动特性。
📊 实验亮点
论文通过三个FlowBot实例展示了该方法的有效性：双向执行器实现了精确的往复运动；夹爪能够稳定地抓取物体；四足游泳机器人能够在水中灵活地运动。这些实例验证了FlowBots在简化控制架构、提高系统鲁棒性和实现复杂行为方面的优势。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但实验结果表明FlowBots具有良好的可控性和适应性。
🎯 应用场景
FlowBots技术在医疗机器人、微型机器人、环境监测和工业自动化等领域具有广泛的应用前景。例如，可以用于开发微创手术机器人、药物输送系统、水下探测机器人和柔性抓取器。其内嵌智能的设计理念有望推动软体机器人向更自主、更智能的方向发展，并为解决复杂环境下的作业难题提供新的解决方案。
📄 摘要（原文）
The one-to-one mapping of control inputs to actuator outputs results in elaborate routing architectures that limit how complex fluidic soft robot behaviours can currently become. Embodied intelligence can be used as a tool to counteract this phenomenon. Control functionality can be embedded directly into actuators by leveraging the characteristics of fluid flow phenomena. Whilst prior soft robotics work has focused exclusively on actuators operating in a state of transient/no flow (constant pressure), or pulsatile/alternating flow, our work begins to explore the possibilities granted by operating in the closed-loop flow recirculation regime. Here we introduce the concept of FlowBots: soft robots that utilise the characteristics of continuous fluid flow to enable the embodiment of complex control functionality directly into the structure of the robot. FlowBots have robust, integrated, no-moving-part control systems, and these architectures enable: monolithic additive manufacturing methods, rapid prototyping, greater sustainability, and an expansive range of applications. Based on three FlowBot examples: a bidirectional actuator, a gripper, and a quadruped swimmer - we demonstrate how the characteristics of flow recirculation contribute to simplifications in fluidic analogue control architectures. We conclude by outlining our design and rapid prototyping methodology to empower others in the field to explore this new, emerging design field, and design their own FlowBots.