Advancing Magnetic Soft Robotics: Integration of Structural Optimization, Computational Modeling, Tailored Manufacturing and Advanced Charaterization

Soft robots, characterized by their compliance and flexibility, hold tremendous potential for diverse applications, ranging from medical devices to search and rescue operations. However, the conventional pneumatic soft robot is tethered to its external driving actuators, which limits the robot’s ability to work autonomously in confined spaces. Recent research on magnetic soft structures and materials shows remarkable potential for the development of un-tethered soft robots which are actuated by external magnetic fields. However, there are still significant challenges in modeling, designing, and manufacturing magnetic soft robots with precise control over their mechanical behavior and locomotion.

The primary objective of this project is to advance the field of soft robotics by employing a multidisciplinary approach that integrates principles from structural optimization, computational modeling, and advanced manufacturing. At Harvard University, the project will utilize state-of-the-art computational modeling and gradient-based optimization techniques to generate optimized soft robots with multi-functional capabilities, including tunable stiffness and extreme energy release rate. In a later stage, the project will involve advanced manufacturing techniques present at MIT, such as 3D printing and soft lithography, to realize the magnetic soft robots.

This research will contribute to the realization of highly versatile and efficient soft robotic systems apt to real-world challenges.

Mjuka robotar, som utmärks av sin mjukhet, följsamhet och flexibilitet, har enorm potential för en rad olika tillämpningar. Till skillnad från traditionella ”hårda” robotar, som ofta består av diverse metalldelar sammankopplat med styva länkar, består mjuka robotar av just mjuka material såsom gummi eller mjukplaster. Detta gör mjuka robotar exceptionellt lämpliga för hantering av känsliga föremål, såsom människor. Till exempel kan mjuka robotar användas i medicinska sammanhang för att navigera i känsliga organ och därigenom bistå vid kirurgiska ingrepp eller inom räddningstjänsten för att tränga in i svårtillgängliga utrymmen och söka efter överlevande vid katastrofer. Trots ett stadigt växande intresse för mjukrobotik är det fortfarande inte belagt hur robotarna skall modelleras, utformas och tillverkas på ett sätt som säkerställer deras egenskaper och rörelsemönster.

Det primära målet för detta projekt är att driva utvecklingen inom mjukrobotik genom att använda en tvärvetenskaplig metod. Först kommer avancerade datorbaserade modeller av robotarnas högst olinjära beteende tas fram. Dessa modeller kommer därefter kombineras med olika former av strukturell optimering i syfte att utforma robotar med extraordinära egenskaper, såsom kontrollerbar styvhet. Slutligen kommer avancerade tillverkningsmetoder som 3D-skrivning användas för att konstruera robotarna, varefter tester och verifiering av deras egenskaper kan utföras.

Syftet med forskningen är att bidra till förståelsen och realiseringen av effektiva mjuka robotar som kan användas som hjälpmedel i industrin och vardagen. Projektet kommer leda utvecklingen av framtidens mjuka robotar.