深圳先進院軟體機器人形態學計算研究取得進展
近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所神經工程中心夏澤洋研究員團隊等在軟體機器人形態學計算方面的研究取得新進展。相關研究結果以Optimal Design of Soft Pneumatic Bending Actuators Subjected to Design-Dependent Pressure Loads為題發表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics雜志上（2019, 24(6): 2873-2884 ），夏澤洋研究員為該論文通訊作者。
軟體驅動器的設計方法可以分為兩類：仿生設計方法和形態學計算方法。與需要大量實驗的仿生設計方法相比，形態學計算方法可以根據個性化的設計需求生成創新的結構。現有的形態學計算方法一般基于拓撲優化方法實現，不能直接應用于彎曲型軟體氣動驅動器（SPBA）設計，因為SPBA的形態通常還與所承受的設計有關的壓力載荷相關，其施加的位置取決于具體的內部腔體結構。為此，作者們提出了一種基于雙向漸進拓撲結構優化法的SPBAs形態學計算框架，以解決軟體機器人形態學計算及優化關鍵問題。
該優化設計框架基于數值拓撲優化方法建立，并將SPBA視為順應性機構，設定的優化目標是實現特定加載壓力下的最大彎曲變形和結構剛度。在有限元分析中，設計域中的每個元素根據靈敏度設置為實體或空腔，靈敏度用目標函數對設計變量的導數近似逼近。迭代優化時，定義壓力作用于可移動的實體邊界表面。通過上述優化得到的驅動器拓撲結構結果制作樣機，在無負載實驗中對其性能進行了評估。同時，為驗證該方法的有效性和實用性，設計了具有和不具有應變限制層的矩形實體和圓柱形SPBA，分別得到了使其實現最大彎曲運動的優化結果。
該研究從理論分析角度驗證了廣泛應用的氣動網格式（PneuNets）軟體驅動器的結構合理性。同時，該方法可以改變當前軟體驅動器基于經驗的試錯式結構設計模式，使SPBA設計面向特定的個性化運動需求，并使得研究能夠應用于需要結合結構約束和設計需求的應用領域，如通過更改優化目標函數，可創建用于滿足手部康復運動的非對稱結構的SPBA。
形態學計算是軟體機器人設計亟待解決的關鍵基礎問題。該研究建立了一種基于拓撲優化的軟體機器人形態學計算方法，是首次嘗試使用數值計算的方法從形態學計算的角度來設計軟體驅動器。基于拓撲優化方法的形態學計算框架，為滿足特定功能任務的軟體機器人的個性化形態設計提供了一種解決方法。
目標函數、末端點豎直位移和體積分數的演化過程
基于雙向漸進拓撲結構優化法的 SPBAs 形態學計算的拓撲結構的演化過程示例
