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Model-Based Design of Variable Stiffness Soft Gripper Actuated by Smart Hydrogels

自愈水凝胶 软机器人 刚度 变量(数学) 材料科学 执行机构 计算机科学 工程类 人工智能 复合材料 数学 高分子化学 数学分析
作者
Qianyi Chen,Dingena Schott,Jovana Jovanova
出处
期刊:Soft robotics [Mary Ann Liebert]
被引量:5
标识
DOI:10.1089/soro.2023.0185
摘要

Soft grippers have shown their ability to grasp fragile and irregularly shaped objects, but they often require external mechanisms for actuation, limiting their use in large-scale situations. Their limited capacity to handle loads and deformations also restricts their customized grasping capabilities. To address these issues, a model-based soft gripper with adaptable stiffness was proposed. The proposed actuator comprises a silicone chamber with separate units containing hydrogel spheres. These spheres exhibit temperature-triggered swelling and shrinking behaviors. In addition, variable stiffness strips embedded in the units are introduced as the stiffness variation method. The validated finite element method model was used as the model-based design approach to describe the hydrogel behaviors and explore the affected factors on the bending performance. The results demonstrate that the actuator can be programmed to respond in a desired way, and the stiffness variation method enhances bending stiffness significantly. Specifically, a direct correlation exists between the bending angle and hydrogel sphere layers, with a maximum of 128° achieved. In addition, incorporating gap configurations into the chamber membrane results in a maximum threefold increase in the bending angle. Besides, the membrane type minimally impacts the bending angle from 21.3° to 24.6°. In addition, the embedded variable stiffness strips substantially increase stiffness, resulting in a 30-fold rise in bending stiffness. In conclusion, the novel soft gripper actuator enables substantial bending and stiffness control through active actuation, showcasing the potential for enhancing soft gripper performance in complex and multiscale grasping scenarios.

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