Slender structures, such as rods, often exhibit large nonlinear geometrical deformations even under moderate external forces (e.g., gravity). This characteristic results in a rich variety of morphological changes, making them appealing for engineering design and applications, such as soft robots, submarine cables, decorative knots, and more. Prior studies have demonstrated that the natural shape of a rod significantly influences its deformed geometry. Consequently, the natural shape of the rod should be considered when manufacturing and designing rod-like structures. Here, we focus on an inverse problem: can we determine the natural shape of a suspended 2D planar rod so that it deforms into a desired target shape? We begin by formulating a theoretical framework based on the statics of planar rod equilibrium that can compute the natural shape of a planar rod given its target shape. Furthermore, we analyze the impact of uncertainties (e.g., noise in the data) on the accuracy of the theoretical framework. The results reveal the shortcomings of the theoretical framework in handling uncertainties in the inverse problem, a fact often overlooked in previous works. To mitigate the influence of the uncertainties, we combine the statics of the planar rod with the adjoint method for parameter sensitivity analysis, constructing a learning framework that can efficiently explore the natural shape of the designed rod with enhanced robustness. This framework is validated numerically for its accuracy and robustness, offering valuable insights into the inverse design of soft structures for various applications, including soft robotics and animation of morphing structures.


翻译:细长结构(如杆件)即使在中等外部力(如重力)作用下也常表现出显著的非线性几何变形。这一特性导致其形态变化丰富多样,使其在软体机器人、海底电缆、装饰结等工程设计与应用中极具吸引力。先前研究表明,杆件的自然形状对其变形后的几何形态具有重要影响。因此,在制造和设计杆状结构时,必须考虑杆件的自然形状。本文聚焦于一个逆向问题:能否确定悬挂二维平面杆件的自然形状,使其变形后达到期望的目标形状?我们首先基于平面杆件平衡静力学建立理论框架,该框架可根据目标形状计算平面杆件的自然形状。此外,我们分析了不确定性(如数据噪声)对该理论框架精度的影响。结果表明,该理论框架在处理逆向问题中的不确定性方面存在缺陷,这一点在以往研究中常被忽视。为降低不确定性的影响,我们将平面杆件静力学与伴随方法相结合进行参数敏感性分析,构建了一个能够高效探索设计杆件自然形状并具有更强鲁棒性的学习框架。通过数值模拟验证了该框架的准确性和鲁棒性,为软体机器人及变形结构动画等领域的软结构逆向设计提供了重要见解。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
5+阅读 · 今天13:50
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
3+阅读 · 今天13:33
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员