Accurate simulation of soft mechanisms under dynamic actuation is critical for the design of soft robots. We address this gap with our differentiable simulation tool by learning the material parameters of our soft robotic fish. On the example of a soft robotic fish, we demonstrate an experimentally-verified, fast optimization pipeline for learning the material parameters from quasi-static data via differentiable simulation and apply it to the prediction of dynamic performance. Our method identifies physically plausible Young's moduli for various soft silicone elastomers and stiff acetal copolymers used in creation of our three different robotic fish tail designs. We show that our method is compatible with varying internal geometry of the actuators, such as the number of hollow cavities. Our framework allows high fidelity prediction of dynamic behavior for composite bi-morph bending structures in real hardware to millimeter-accuracy and within 3 percent error normalized to actuator length. We provide a differentiable and robust estimate of the thrust force using a neural network thrust predictor; this estimate allows for accurate modeling of our experimental setup measuring bollard pull. This work presents a prototypical hardware and simulation problem solved using our differentiable framework; the framework can be applied to higher dimensional parameter inference, learning control policies, and computational design due to its differentiable character.

软机器人技术有可能改变机器人运动，特别是软机器人游泳者提供了一种微创和自适应的解决方案，以探索和保存我们的海洋。不幸的是，当前的软机器人游泳者非常劣于进化的生物游泳者，尤其是在可控性，效率，可操作性和寿命方面。此外，设计软机器人所需的乏味的迭代制造和经验测试阻碍了它们的优化。在这项工作中，我们通过为设计和制造配备静电驱动的软机器人游泳者提供高效且直接的管道来应对这一挑战。我们简化了允许快速增材制造的过程，并显示如何使用可区分的模拟将简化模型与机器人游泳器的真实变形匹配。我们通过改变游泳者的拮抗肌肉的电压和驱动频率来对制造的游泳者进行多个实验。我们展示了在液态油中移动时的电压和频率如何改变游泳者的运动速度，并在前进的游泳速度下观察到明显的最佳选择。我们提出的可区分模拟模型具有各种下游应用，例如游泳者的控制和形状优化；通过我们的SIM到现实匹配，可以将优化结果直接映射回真实机器人。

水生运动是生物学家和工程师感兴趣的经典流体结构相互作用（FSI）问题。求解完全耦合的FSI方程，用于不可压缩的Navier-Stokes和有限的弹性在计算上是昂贵的。在这种系统中，优化机器人游泳器设计通常涉及在已经昂贵的模拟之上繁琐的，无梯度的程序。为了应对这一挑战，我们提出了一种针对FSI的新颖，完全可区分的混合方法，该方法结合了2D直接数值模拟，用于游泳器的可变形固体结构和物理受限的神经网络替代物，以捕获流体的流体动力效应。对于游泳者身体的可变形实心模拟，我们使用来自计算机图形领域的最新技术来加快有限元方法（FEM）。对于流体模拟，我们使用经过基于物理损耗功能的U-NET体系结构来预测每个时间步骤的流场。使用沉浸式边界方法（IBM）在我们游泳器边界的边界周围采样了来自神经网络的压力和速度场输出，以准确有效地计算其游泳运动。我们证明了混合模拟器在2D Carangiform游泳器上的计算效率和可不同性。由于可怜性，该模拟器可用于通过基于直接梯度的优化浸入流体中的软体体系的控件设计。

虽然在各种应用中广泛使用刚性机器人，但它们在他们可以执行的任务中受到限制，并且在密切的人机交互中可以保持不安全。另一方面，软机器鞋面超越了刚性机器人的能力，例如与工作环境，自由度，自由度，制造成本和与环境安全互动的兼容性。本文研究了纤维增强弹性机壳（释放）作为一种特定类型的软气动致动器的行为，可用于软装饰器。创建动态集参数模型以在各种操作条件下模拟单一免费的运动，并通知控制器的设计。所提出的PID控制器使用旋转角度来控制多项式函数之后的自由到限定的步进输入或轨迹的响应来控制末端执行器的方向。另外，采用有限元分析方法，包括释放的固有非线性材料特性，精确地评估释放的各种参数和配置。该工具还用于确定模块中多个释放的工作空间，这基本上是软机械臂的构建块。

软机械设计与控制的共同优化需要快速实现现实验证的快速手段。现有的创建管道不允许软机器的SWIFT原型，以便快速测试各种设计配置和控制策略。这项工作提出了一种用于快速迭代设计和制造小型化模块化硅氧烷弹性体的机器人鱼类的管道。模块化设计允许具有不同配置的机器人鱼类简单快速迭代，以帮助目前对设计优化方法的开发的研究。所提出的机器人鱼可以用作标准化的测试平台，可以在哪些性能度量如推力和运动范围之类的标准化测试平台。我们进一步展示了能够测量输入压力，尾部变形和推力的水下评估设置的设计。制造和实验评估具有不同刚度和内部气动室配置的多种机器人鱼原型。机器人的灵活模块化设计原理及其评估平台解锁了更有效的软机器人鱼类的可能性，将来有利于未来设计优化和水下勘探的研究。

仿真是用于创建控制策略和测试各种物理参数的机器人技术的重要步骤。 Soft Robotics是一个领域，由于可变形材料组件的非线性以及其他创新性且通常是复杂的物理特性而引起了独特的物理挑战，以模拟其主题。由于使用传统技术模拟柔软和异质物体的计算成本，刚性机器人模拟器不太适合模拟软机器人。因此，许多工程师必须构建自己为系统量身定制的一次性模拟器，或使用具有降低性能的现有模拟器。为了促进这项激动人心的技术的开发，这项工作为各种软机器人提供了交互式，准确和多功能的模拟器。我们的开源3D仿真引擎Cronos与可变形和刚性对象的超快速性能的质量弹簧模型平行。我们的方法适用于多种非线性材料构型，包括高变形性，体积致动或异质刚度。这种多功能性提供了在单个机器人模拟中自由混合材料和几何成分的能力。通过利用非线性胡克恩质量弹簧系统的灵活性和可扩展性，该框架通过高度并行模型模拟柔软而刚性的对象，以实现近实时速度。我们描述了有效的GPU CUDA实施，我们证明了该实施是为了在消费级GPU卡上实现每秒超过10亿个元素的计算。通过将结果与Euler-Bernoulli光束理论，固有频率预测和软结构在大变形下的软结构进行比较来验证系统的动态物理准确性。

软执行器为轻柔的抓握和灵活的操纵等任务提供了一种安全，适应性的方法。但是，由于可变形材料的复杂物理学，创建准确的模型来控制此类系统是具有挑战性的。准确的有限元方法（FEM）模型具有用于闭环使用的过度计算复杂性。使用可区分的模拟器是一种有吸引力的替代方案，但是它们适用于软执行器，可变形材料仍然没有被忽略。本文提出了一个结合两者优势的框架。我们学习了一个由材料属性神经网络和其余操纵任务的分析动力学模型组成的可区分模型。该物理信息模型是使用FEM生成的数据训练的，可用于闭环控制和推理。我们在介电弹性体执行器（DEA）硬币提取任务上评估我们的框架。我们模拟使用DEA使用摩擦接触，使用FEM沿着表面拉动硬币的任务，并评估物理信息模型以进行模拟，控制和推理。与FEM相比，我们的模型达到了<5％的仿真误差，我们将其用作MPC控制器的基础，MPC控制器比无模型的参与者 - 批评者，PD和启发式策略所需的迭代率更少。

机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。

我们探索粒状介质（GM）中软机器的运动，由细长杆的弹性变形产生。提出了由细菌的生理结构的低成本，迅速制造的机器人。它由刚性头部，带有电动机和电池的嵌入式和电池，以及多个弹性杆（我们的灯泡模型）来调查通用汽车的运动。弹性鞭毛在电机一端旋转，它们由于从GM的拖动而变形，推动机器人。外部拖动由鞭毛形状决定，而后者由于外部负载和弹力之间的竞争而改变。在该耦合的流体结构相互作用问题中，我们观察到增加鞭毛的数量可以减小或增加机器人的推进速度，这取决于系统的物理参数。这种简单机器人之间的功能关系中的这种非线性激励我们利用理论，数值模拟和实验来从根本上分析其力学。我们提出了一个简单的欧拉伯努利光束理论的分析框架，其能够定性地捕获这两种情况。当鞭毛变形小时，理论预测定量匹配实验。为了考虑经常在软机器人和微生物中遇到的几何非线性变形，我们实施了一种仿真框架，该框架包括弹性杆的离散微分几何形状模拟，这是一种基于电阻理论的拖曳模型，以及用于流体动力学的改进的斯托克斯法机器人头。与实验数据的比较表明模拟可以定量地预测机器人运动。总的来说，本文中提出的理论和数值工具可以在粒状或流体介质中的这类清晰的机器人的设计和控制来阐明。

机器人和与世界相互作用或互动的机器人和智能系统越来越多地被用来自动化各种任务。这些系统完成这些任务的能力取决于构成机器人物理及其传感器物体的机械和电气部件，例如，感知算法感知环境，并计划和控制算法以生产和控制算法来生产和控制算法有意义的行动。因此，通常有必要在设计具体系统时考虑这些组件之间的相互作用。本文探讨了以端到端方式对机器人系统进行任务驱动的合作的工作，同时使用推理或控制算法直接优化了系统的物理组件以进行任务性能。我们首先考虑直接优化基于信标的本地化系统以达到本地化准确性的问题。设计这样的系统涉及将信标放置在整个环境中，并通过传感器读数推断位置。在我们的工作中，我们开发了一种深度学习方法，以直接优化信标的放置和位置推断以达到本地化精度。然后，我们将注意力转移到了由任务驱动的机器人及其控制器优化的相关问题上。在我们的工作中，我们首先提出基于多任务增强学习的数据有效算法。我们的方法通过利用能够在物理设计的空间上概括设计条件的控制器，有效地直接优化了物理设计和控制参数，以直接优化任务性能。然后，我们对此进行跟进，以允许对离散形态参数（例如四肢的数字和配置）进行优化。最后，我们通过探索优化的软机器人的制造和部署来得出结论。

布模拟在计算机动画，服装设计和机器人辅助敷料中具有广泛的应用。这项工作提出了一个可区分的布模拟器，其附加梯度信息促进了与布相关的应用。我们可区分的模拟器扩展了基于投影动力学（PD）和干摩擦接触的最先进的布模拟器。我们从以前的工作中汲取灵感，提出了一种快速新颖的方法，用于通过干摩擦接触在基于PD的布模拟中得出梯度。此外，我们对富含接触的布模拟中梯度的实用性进行了全面的分析和评估。最后，我们证明了模拟器在许多下游应用中的功效，包括系统识别，辅助调味料的轨迹优化，闭环控制，逆设计和实际降低SIM转移。我们观察到通过使用我们的梯度信息来求解大多数这些应用程序获得的大幅加速。

在本文中，我们介绍了一个数据驱动的框架，以优化软抓地力的平面外刚度，以实现机械性能，如难以扭动且易于弯曲。在软气动弯曲执行器（SPBA）的设计中证明了该方法的有效性。首先，定义了一个新的目标函数来定量评估平面外刚度以及弯曲性能。然后，对SPBA设计的参数模型进行灵敏度分析，以确定有限元分析（FEA）的优化设计参数。为了启用数值优化的计算，采用数据驱动的方法来学习成本函数，该成本函数直接代表平面外刚度作为设计变量的可区分函数。一种基于梯度的方法用于最大化SPBA的平面外刚度，同时确保特定的弯曲性能。我们方法的有效性已在3D打印的握把上进行的物理实验中得到了证明。

视觉的触觉传感器由于经济实惠的高分辨率摄像机和成功的计算机视觉技术而被出现为机器人触摸的有希望的方法。但是，它们的物理设计和他们提供的信息尚不符合真实应用的要求。我们提供了一种名为Insight的强大，柔软，低成本，视觉拇指大小的3D触觉传感器：它不断在其整个圆锥形感测表面上提供定向力分布图。围绕内部单眼相机构造，传感器仅在刚性框架上仅成型一层弹性体，以保证灵敏度，鲁棒性和软接触。此外，Insight是第一个使用准直器将光度立体声和结构光混合的系统来检测其易于更换柔性外壳的3D变形。通过将图像映射到3D接触力的空间分布（正常和剪切）的深神经网络推断力信息。洞察力在0.4毫米的总空间分辨率，力量幅度精度约为0.03 n，并且对于具有不同接触面积的多个不同触点，在0.03-2 n的范围内的5度大约5度的力方向精度。呈现的硬件和软件设计概念可以转移到各种机器人部件。

在本文中，我们为非稳定于3D流体结构交互系统提供了一种基于深度学习的阶数（DL-ROM）。所提出的DL-ROM具有非线性状态空间模型的格式，并采用具有长短期存储器（LSTM）的经常性神经网络。我们考虑一种以状态空间格式的可弹性安装的球体的规范流体结构系统，其具有不可压缩的流体流动。我们开发了一种非线性数据驱动的耦合，用于预测横向方向自由振动球的非定常力和涡旋诱导的振动（VIV）锁定。我们设计输入输出关系作为用于流体结构系统的低维逼近的力和位移数据集的时间序列。基于VIV锁定过程的先验知识，输入功能包含一系列频率和幅度，其能够实现高效的DL-ROM，而无需用于低维建模的大量训练数据集。一旦训练，网络就提供了输入 - 输出动态的非线性映射，其可以通过反馈过程预测较长地平线的耦合流体结构动态。通过将LSTM网络与Eigensystem实现算法（时代）集成，我们构造了用于减少阶稳定性分析的数据驱动状态空间模型。我们通过特征值选择过程调查VIV的潜在机制和稳定性特征。为了了解频率锁定机制，我们研究了针对降低振荡频率和质量比的范围的特征值轨迹。与全阶模拟一致，通过组合的LSTM-ERA程序精确捕获频率锁定分支。所提出的DL-ROM与涉及流体结构相互作用的物理学数字双胞胎的基于物理的数字双胞胎。

为了使软机器人在以人为本的环境中有效工作，他们需要能够根据（本体感受）传感器估算其状态和外部相互作用。估计干扰使软机器人可以执行理想的力控制。即使在刚性操纵器的情况下，最终效应器的力估计也被视为一个非平凡的问题。实际上，其他当前应对这一挑战的方法也存在防止其一般应用的缺点。它们通常基于简化的软动力学模型，例如依赖于零件的恒定曲率（PCC）近似值或匹配的刚体模型的模型，这些模型并不代表该问题的细节。因此，无法构建复杂的人类机器人互动所需的应用。有限元方法（FEM）允许以更通用的方式预测软机器人动力学。在这里，使用框架沙发的软机器人建模功能，我们构建了一个详细的FEM模型，该模型由多段的软连续机器人手臂组成，该机器人由合规的可变形材料和纤维增强的压力驱动室组成，并具有用于提供方向输出的传感器的模型。该模型用于为操纵器建立状态观察者。校准模型参数以使用物理实验匹配手动制造过程的缺陷。然后，我们解决了二次编程逆动力学问题，以计算解释姿势误差的外力的组成部分。我们的实验显示，平均力估计误差约为1.2％。由于提出的方法是通用的，因此这些结果令人鼓舞，该任务是构建可以在以人为中心的环境中部署的复杂，反应性，基于传感器的行为的软机器人。

软机器人操纵器对于在受限环境中的医疗干预或工业检查等一系列应用都具有吸引力。文献中已经提出了无数的软机器人操纵器，但是它们的设计往往相对相似，并且通常提供相对较低的力。这限制了他们可以携带的有效载荷，因此限制了它们的可用性。在公共框架下不可用不同设计的力的比较，并且设计具有不同的直径和功能，使它们难以比较。在本文中，我们介绍了一种软机器人操纵器的设计，该设计的优化为最大化其力，同时尊重典型的应用程序约束，例如大小，工作区，有效负载能力和最大压力。此处介绍的设计具有一个优势，即它变为最佳设计，因为它被加压到朝不同方向移动，这会导致较高的横向力。该机器人是使用一组原理设计的，因此可以适应其他应用程序。我们还为软机器人操纵器提供了非二维分析，并将其应用于此处提出的设计的性能与文献中其他设计的性能。我们表明，我们的设计比同一类别中的其他设计具有更高的力量。实验结果证实了我们提出的设计的较高力量。

在这项工作中，我们解决了由三个腔室驱动的软仿生执行器的运动计划的逆动力学问题。由于其内在的柔软性，软仿生致动器已应用于许多应用中。尽管可以得出数学模型来描述该执行器的逆动力学，但捕获材料和系统的非线性和不确定性仍然不准确。此外，如此复杂的模型是耗时的，因此在实时控制单元中应用不容易。因此，在该领域开发一种无模型方法可能是一个新想法。为了克服这些内在问题，我们提出了一个后传播（BP）神经网络，学习在三维空间中移动的软仿生执行器的逆动力学。在使用样品数据进行训练之后，BP神经网络模型可以代表操纵器尖端位置与施加到腔室的压力之间的关系。所提出的算法比分析模型更精确。结果表明，相对于总执行器长度，相对平均误差为2.46％，可以实现所需的末端位置。

在过去的几十年中，出现了一种趋势，指出在可移动，可编程和可转换机制中利用结构不稳定性。受钢制发夹的启发，我们将面板组件与可靠的结构相结合，并使用半刚性塑料板建造合规的拍打机构，并将其安装在束缚的气动软机器人鱼和无螺旋螺旋式的电动机驱动器上，以展示它的前所未有的优势。设计规则是根据理论和验证提出的。观察到与参考相比，气动鱼的游泳速度提高了两倍，对Untether Fish的进一步研究表明，对于不固定的兼容的游泳运动员，可损坏的速度为2.03 BL/S（43.6 cm/s），优于先前报告的最快的，其幅度为194％。这项工作可能预示着下一代符合下一代机器人技术的结构革命。

近二十年来，软机器人技术一直是机器人社区中的一个热门话题。但是，对于软机器人进行建模和分析的可用工具仍然有限。本文介绍了一个用户友好的MATLAB工具箱Soft Robot Simulator（Sorosim），该工具集合了Cosserat杆的几何变量应变（GVS）模型，以促进对软，刚性或混合机器人系统的静态和动力分析。我们简要概述了工具箱的设计和结构，并通过将其结果与文献中发布的结果进行比较。为了突出该工具箱有效建模，模拟，优化和控制各种机器人系统的潜力，我们演示了四个示例应用程序。所示的应用探索了单，分支，开放式和闭合链机器人系统的不同执行器和外部加载条件。我们认为，软机器人研究社区将从Sorosim工具箱中大大受益，用于多种应用。

精确和高保真力控制对于与人类和未知环境相互作用的新一代机器人至关重要。移动机器人（例如可穿戴设备和腿部机器人）也必须轻巧才能完成其功能。已经提出了静液压传输，作为满足这两个具有挑战性要求的有前途的策略。在以前的出版物中，结果表明，使用磁性执行器（MR）执行器与静水透射率相结合，可提供高功率密度和出色的开环人类机器人相互作用。尽管如此，传输动力学和非线性摩擦仍会降低低频和高频下的开环力保真度。这封信比较了MR-Hydrstortic执行器系统的控制策略，以增加其扭矩保真度，该扭矩屈服于带宽（测量得出的扭矩参考）和透明度（最小化在机器人背后反射到最终效应器的不需要的力）。开发了四种控制方法并通过实验进行比较：（1）具有摩擦补偿的开环控制； （2）非集中压力反馈； （3）压力反馈； （4）LQGI状态反馈。还实施了抖动策略来平滑球螺钉摩擦。结果表明，方法（1），（2）和（3）可以提高性能，但面临妥协，而方法（4）可以同时改善所有指标。这些结果表明，使用控制方案使用束缚架构来改善机器人的力控制性能的潜力，从而解决了传输动力学和摩擦等问题。