A Versatile‐Designable Framework for Active and Programmable Shape‐Morphing Soft Matter Systems: From Inverse Design to Closed‐Loop Control

软机器人 计算机科学 软物质 变形 人工神经网络 控制工程 人工智能 耗散系统 灵活性(工程) 反向 焦耳(编程语言) 导电体 约束(计算机辅助设计) 执行机构 机器人学 控制器(灌溉) 控制系统 神经形态工程学 适应性 焦耳加热 卷积神经网络 分段 系统设计 智能材料 形状记忆合金 柔性电子器件 控制重构 莫代利卡 逆动力学 焦耳效应 弹性体 微处理器 人工肌肉
作者
Kai Liu,Peiling Xie,Ruitong Song,banghan Liu,Rui Guo,Jiu‐an Lv
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:: e76241-e76241
标识
DOI:10.1002/advs.76241
摘要

Developing soft matter systems with programmability, multifunctional integration, and environmental adaptability represents a critical challenge in soft robotics and smart materials. Herein, we propose a versatile framework for constructing active and programmable shape-morphing soft matter systems based on addressable actuation and strain-constraint mechanisms. Using liquid crystal elastomers (LCEs) and conductive constraint strips serving simultaneously as geometric constraints and localized Joule heaters, this framework circumvents complex microstructural manipulation, enabling addressable electrothermal actuation and deterministic 2D-to-3D morphological transformation. Combined with the established analytical model, we propose an inverse design strategy capable of reconstructing complex target surfaces featuring spatially non-uniform curvatures. To demonstrate its integration capability, we incorporate shape memory polymers (SMPs) and crack-based sensors via a thermally decoupled design to construct a proprioceptive lockable soft robotic system (PLSRS), exhibiting zero-energy shape retention and real-time proprioception. Finally, we validate this system by deploying the PLSRS in a flapping-wing robot, where a 1D convolutional neural network (1D-CNN) optimized via the grey wolf optimizer (GWO) deciphers aeroelastic signals to estimate wind speed and trigger autonomous adaptive wing regulation. This work successfully fuses physical intelligence with computational intelligence, providing a versatile platform for next-generation adaptive soft robots.
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