Advanced Multimodal Locomotion and Multifunctionality of Soft-bodied Millirobots
[thesis]
Ziyu Ren, Metin Sitti, Barbara Mazzolai, Daniel Razansky
2022
Small-scale mobile robots at the millimeter-scale have many potential applications, such as minimally invasive surgery, lab-on-chip tasks, and environmental monitoring. In the past few years, various kinds of soft millirobots have been developed using different soft composite materials that can respond to external stimuli, such as light, heat, chemicals, electricity, and magnetic field. The application of the soft smart materials endows the millirobots with richer behaviors and functions than
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... e rigid robot designs as well as better physical adaptability to the changing environment. Despite the exciting progress achieved in the rapidly-developing field of soft robotics, the existing soft millirobots still lack the capability to locomote in complex environments and perform multifunctional tasks required in real-world applications. This dissertation aims to overcome some of the major challenges that prevent us from developing soft millirobots interacting with fluidic media to induce advanced multimodal locomotion capability and multifunctionality towards their real-world uses in the near future. The first part of the dissertation deals with the challenge of multimodal locomotion in the fluidfilled confined environments. Achieving effective locomotion in such environments is especially significant for soft millirobots towards medical applications because many lumens in the human body have a cross-sectional dimension at the millimeter scale, and most of them are filled or semifilled with body fluids at stagnant or flowing conditions. The magnetic sheet-shaped robot is studied here for its versatility in producing adaptive and programmable shape changes. Four locomotion modes, including rolling, undulatory crawling, undulatory swimming, and helical surface crawling, are achieved to tackle confined-space locomotion with different geometries and fluid-flowing conditions by utilizing the robot-environment interactions. The mechanisms behind these locomotion modes are investigated in detail. Different performance-enhancement strategies are finally proposed to make the robot move faster, have higher maneuverability, and withstand stronger fluid flows. The second part of the dissertation addresses the challenge of achieving energy-efficient swimming and multifunctional non-contact object manipulation at the intermediate Reynolds number using soft-bodied millirobot-based fluid flow control. Non-contact object manipulation is preferable for small-scale robots as the adhesion between the robot and the targeted object hinders the successful pick-up and release operations. This goal is achieved on a magnetic soft millirobot II mimicking the swimming of the ephyra jellyfish that can capture preys during swimming by producing a unique flow pattern around the body. By changing the kinematics of the robot, including varying the periods of the contraction and the recovery phases, adding or removing the gliding phase, and changing the beating amplitude, the robot produces different wake flow patterns, and shows different propulsion performances in terms of speed and cost of transport. The relationship between the swimming kinematics and the non-contact object manipulation performance is investigated in detail. Based on this understanding, the kinematics of the robot is prescribed towards different functions, such as selective object transportation, burrowing for camouflage and object searching, fluid mixing, and producing chemical path. The third part of the dissertation focuses on the challenge of fabricating complex 3D magnetic soft millirobots with arbitrary multimaterial compositions, arbitrary 3D geometries, and arbitrary programmable 3D magnetization profiles. A new fabrication approach is desired since the existing fabrication methods have several insurmountable constraints that prevent them from being further improved, which significantly limits the design space of the current soft millirobots. To meet this end, a bottom-up assembly-based 3D microfabrication approach is proposed. In this approach, jigs are used to aid the assembly of the voxels that have different shapes, material properties, and magnetizations. With the ability of achieving several key design features that are challenging before, this fabrication approach is used to create multiple functional machines with potential medical applications, including a peristaltic pump that can pump both liquid and solid objects, a soft capsule that can deliver and sample liquid objects, and an anchoring machine that can move and anchor in the tubular environment with the flowing fluid. The last part of the dissertation tackles the challenge of realizing reconfigurable coordination of multiple individually-controlled actuators in soft millirobots for advanced flow manipulation. Soft-bodied animals at the same length scale can have a luxury of massive individually controlled degrees of freedom (DOF) to dynamically, robustly, and dexterously move and interact with their habitats, which contrasts the existing soft millirobots that have only few controllable DOF currently. An electrically-driven soft ciliated epidermis is proposed to demonstrate the possibility of enhancing the robot-fluid interaction by increasing the controllable DOF of the soft millirobot for flow control. A novel method is proposed to fabricate polypyrrole actuators on a flexible substrate. The controlled beating of the ciliary actuators at the millimeter scale can transport fluids III utilizing the inertial effect at the intermediate Reynolds number. The coordination of the ciliary actuators can be tuned on the fly to transport fluids along and perpendicular to the beating direction or towards and away from the substrate. The bendability and stretchability of the soft ciliated epidermises enable it to realize fluid transportation on various three-dimensional substrates and modify the flow fields induced by dynamically-deforming substrates. IV Zusammenfassung Mobile Kleinroboter im Millimeterbereich haben viele potenzielle Anwendungsmöglichkeiten, wie z.B. die minimalinvasive Chirurgie, das Chiplabor und die Umweltüberwachung. In den letzten Jahren wurden verschiedene Arten von weichen Millirobotern unter Verwendung von unterschiedlichen weichen Verbundwerkstoffen entwickelt, die auf äußere Reize wie Licht, Wärme, Chemikalien, Elektrizität und Magnetfeld reagieren können. Die Anwendung der weichen intelligenten Materialien verleiht den Millirobotern vielfältigere Verhaltensweisen und Funktionen als die starren Roboterdesigns sowie eine bessere physische Anpassungsfähigkeit an die sich verändernde Umgebung. Trotz der aufregenden Fortschritte, die auf dem sich schnell entwickelnden Gebiet der Softrobotik erzielt wurden, fehlt es den bestehenden weichen Millirobotern noch an der Fähigkeit, sich in komplexen Umgebungen fortzubewegen und multifunktionale Aufgaben auszuführen, die in realen Anwendungen erforderlich sind. Diese Dissertation zielt darauf ab, einige der größten Herausforderungen zu überwinden, die uns daran hindern, weiche Milliroboter zu entwickeln, die mit fluiden Medien interagieren, um fortgeschrittene multimodale Fortbewegungsfähigkeit und Multifunktionalität für ihren realen Anwendungen in naher Zukunft zu erreichen. Der erste Teil der Dissertation nimmt die Herausforderung der multimodalen Fortbewegung in flüssigkeitsgefüllten begrenzten Umgebungen in Angriff. Das Erzielen einer effektiven Fortbewegung in solchen Umgebungen ist besonders für weiche Milliroboter in medizinischen Anwendungen von Bedeutung, da viele Lumen im menschlichen Körper eine Querschnittsdimension im Millimeterbereich haben und die meisten von ihnen mit Körperflüssigkeiten in stagnierenden oder fließenden Bedingungen gefüllt oder halbgefüllt sind. Der magnetische plattenförmige Roboter wird hier auf seine Vielseitigkeit bei der Erzeugung adaptiver und programmierbarer Formveränderungen untersucht. Vier Fortbewegungsmodi, nämlich Rollen, wellenförmiges Kriechen, wellenförmiges Schwimmen und spiralförmiges Kriechen auf der Oberfläche, werden erreicht, um die Fortbewegung in engen Räumen mit unterschiedlichen Geometrien und Fluidströmungsbedingungen unter Ausnutzung der Roboter-Umgebung-Interaktionen zu bewältigen. Die Mechanismen hinter diesen Fortbewegungsmodi werden detailliert untersucht. Schließlich werden verschiedene Strategien zur Leistungssteigerung V vorgeschlagen, damit sich der Roboter schneller bewegen, seine Manövrierfähigkeit erhöhen und stärkeren Flüssigkeitsströmungen standhalten kann. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der Herausforderung, ein energieeffizientes Schwimmen und eine multifunktionale, berührungslose Objektmanipulation bei einer mittleren Reynolds-Zahl zu erreichen, indem eine auf Millirobotern mit weichen Körpern basierenden Kontrolle zur Flüssigkeitsströmung eingesetzt wird. Die berührungslose Objektmanipulation ist für kleine Roboter vorzuziehen, da die Adhäsion zwischen dem Roboter und dem Zielobjekt die erfolgreichen Aufnahme-und Freigabeoperationen behindert. Dieses Ziel wird mit einem magnetischen weichen Milliroboter erreicht, der das Schwimmen der Ephyra-Qualle nachahmt, die ihre Beute beim Schwimmen fangen kann, indem sie ein einzigartiges Strömungsmuster um ihren Körper herum erzeugt. Durch Veränderung der Kinematik des Roboters, einschließlich der Veränderung der Kontraktions-und Erholungsphasen, des Hinzufügens oder Entfernens der Gleitphase und der Veränderung der Schlagamplitude, erzeugt der Roboter unterschiedliche Muster der Nachlaufströmung und zeigt unterschiedliche Antriebsleistungen in Bezug auf Geschwindigkeit und Transportkosten. Die Beziehung zwischen der Schwimmkinematik und der Leistung der berührungslosen Objektmanipulation wird im Detail untersucht. Basierend auf diesem Verstand wird die Kinematik des Roboters für verschiedene Funktionen vorgeschrieben, wie z. B. den selektiven Objekttransport, das Wühlen zur Tarnung und Objektsuche, die Flüssigkeitsmischung und die Herstellung chemischer Pfade. Der dritte Teil der Dissertation konzentriert sich auf die Herausforderung, komplexe magnetische 3D-Soft-Milliroboter mit beliebigen Multimaterial-Zusammensetzungen, beliebigen 3D-Geometrien und beliebigen programmierbaren 3D-Magnetisierungsprofilen herzustellen. Ein neuer Herstellungsansatz ist erwünscht, da die bestehenden Herstellungsmethoden einige unüberwindbare Beschränkungen aufweisen, die eine weitere Verbesserung verhindern, was den Designraum der aktuellen weichen Milliroboter erheblich einschränkt. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein auf der Bottom-up-Montage basierender Ansatz für die 3D-Mikrofabrikation vorgeschlagen. Bei diesem Ansatz werden Vorrichtungen verwendet, um den Zusammenbau der Voxel zu unterstützen, die unterschiedliche Formen, Materialeigenschaften und Magnetisierungen aufweisen. Mit der Fähigkeit, mehrere wichtige Designmerkmale zu erreichen, die zuvor eine Herausforderung darstellten, wird dieser Fabrikationsansatz verwendet, um mehrere funktionale VI Maschinen in potenziell medizinischen Anwendungen zu schaffen, inklusive einer peristaltischen Pumpe, die sowohl flüssige als auch feste Objekte pumpen kann, einer weichen Kapsel, die flüssige Objekte liefern und Proben davon entnehmen kann, und einer Verankerungsmaschine, die sich in der röhrenförmigen Umgebung mit der strömenden Flüssigkeit bewegen und verankern kann. Der letzte Teil der Dissertation befasst sich mit der Herausforderung, eine rekonfigurierbare Koordination mehrerer individuell gesteuerten Aktuatoren in weichen Millirobotern zur fortgeschrittenen Strömungsmanipulation zu realisieren. Tiere mit weichen Körpern auf der gleichen Längenskala können den Luxus massiver individuell gesteuerter Freiheitsgrade (DOF) haben, um sich dynamisch, robust und geschickt zu bewegen und mit ihren Lebensräumen zu interagieren, was im Gegensatz zu den bestehenden weichen Millirobotern steht, die derzeit nur wenige steuerbare DOF haben. Es wird eine elektrisch angetriebene weiche Flimmerepidermis vorgeschlagen, um die Möglichkeit über die Verbesserung der Roboter-Fluid-Interaktion zu demonstrieren, indem die steuerbaren DOF des weichen Milliroboters zur Flusskontrolle erhöht werden. Es wird ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Polypyrrol-Aktuatoren auf einem flexiblen Substrat vorgeschlagen. Das kontrollierte Schlagen der Ziliaraktuatoren im Millimeterbereich kann Flüssigkeiten unter Ausnutzung des Trägheitseffekts bei einer mittleren Reynolds-Zahl transportieren. Die Koordination der Ziliaraktuatoren kann im laufenden Betrieb eingestellt werden, um Flüssigkeiten entlang und senkrecht zur Schlagrichtung oder zum Substrat hin und weg zu transportieren. Die Biegefähigkeit und Dehnbarkeit der weichen Flimmerepidermis ermöglicht es, den Flüssigkeitstransport auf verschiedenen dreidimensionalen Substraten zu realisieren und die durch dynamisch verformende Substrate induzierten Strömungsfelder zu modifizieren.
doi:10.3929/ethz-b-000538881
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