The emerging field of soft robots, which is a new class of robots without rigid frames, has attracted significant research efforts. Because of the soft materials such as elastomers and paper used in the fabrication of soft robots, high compliance becomes a salient property which renders soft robots the ability to create amazing designs with infinite possibilities. As one of the most important sub-fields in soft robotics, locomotive soft robots act as a certain connection between human and nature. In nature, many soft-bodied animals such as caterpillar, jellyfish, octopus, and worm have provided inspirations for designs of soft robots. Meanwhile, the study of soft robots helps researchers go further deep into the acknowledgement of the charming nature. Although many efforts have been done on locomotive soft robots which now are usually capable of performing operations in tough environments and under undefined surroundings, most soft locomotive robots are focusing on tasks performed on the horizontal plane. Soft robots capable of doing tasks on inclined plane and even vertical plane are needed to extend impacts of soft robotic field, and to further explore the limit of science and technology. The thesis reported here introduces the exploration of solutions to the above existing problems based on elastomer-based soft robots and paper-based soft robots, and it presents a new chapter in soft robotic field.

The author involves a new technology, electrostatic adhesion, into soft robots to realize the climbing-up function. In the elastomer-based work, the electrostatic adhesion is applied to a quadruped soft robot by embedding a thin and compliant adhesion pad (made of Polydimethylsiloxane and Ag/AgCl ink) onto each leg of the robot. With the help of the inherent stickiness of Polydimethylsiloxane (PDMS), experiments show the adhesion pad can provide a quite change (up to 3.1 N) of the friction force between robot leg and corresponding substrate. This friction change allows the robot to change its moving pattern under the same control sequence. The robot can move forwards, backwards, or stay in the same place with the help of regulating friction forces induced by electrostatic adhesion. A simplified kinematic model is developed for the quadruped robot to explain the important role played by friction forces, and consequently, to show the promising potential of electrostatic adhesion in developing wall-climbing soft robots. In this work, the presence of electrostatic adhesion not only allows the robot to change the moving direction on horizontal plane, but also makes the robot capable of climbing up an inclined slippery surface rather than slide down. However, a vertically 90-degree climbing is not realized on this quadruped robot since the robotąŕs pneumatic actuation will produce a large falling torque under gravity which will break the attachment of legs to substrate.

In order to overcome the problems brought by gravity, the author develops a paper-based soft robot which realizes both horizontal and vertical climbing on a 90-degree vertical-placed substrate. The robot, made from paper and shape memory alloy (SMA), can be controlled to climb walls under certain combinations of activation patterns of electrostatic adhesion and contraction of the SMA. Electrostatic adhesion is applied using a paper structure with embedded interdigitated electrodes. This structure, fully compatible with the paper-based robot, is able to output strong and reliable adhesion forces (the resultant friction force can be as high as 1.65N on specific substrates), and it can be easily turned on and off using a commercial high-voltage converter. The SMA embedded in the robot is employed to deform the robot body and induce contracting displacements while being activated. A bias-spring SMA model applied to this robot is simulated and compared with experimental results, which shows relatively good prediction accuracy. With above structures, the author demonstrates the walking and climbing ability of this robot with a locomotion speed of 1 mm/s. The climbing on a vertical wall along both the vertical and horizontal directions is achieved.

In addition, an untethered version of the paper-based wall-climbing robot is developed to make the robot closer to perform human-life tasks. In order to embed all the electronics, the size of the robot is made larger than tethered version to strengthen its capability of holding weights and fighting against gravity. A tiny microcontroller, Attiny84, is employed to control the activation of SMA and the turning on/off of adhesion pads. Each pad has an individual high-voltage MOSFET to control its adhesion force. With the help of high-voltage MOSFET, the falling torque is much lower than before, and the problem of the small microcontrollerąŕs output power is also solved. With above structures, the author demonstrates the walking and climbing ability of this robot with a locomotion speed of 0.6-0.8 mm/s. The climbing on a vertical wall along both the vertical and horizontal directions is also achieved. Meanwhile, since its untethered property, this robot has the potential to perform tasks such as surface detection and video surveillance, which makes soft robot closer to real-life applications.

Le domaine émergent des robots souples, qui est une nouvelle classe de robots sans châssis rigide, a attiré des efforts de recherche importants. En raison des matériaux mous tels que les élastomères et le papier utilisés dans la fabrication de robots mous, une haute conformité devient une propriété saillante qui rend les robots mous la capacité de créer des designs étonnants avec des possibilités infinies. En tant que lún des sous-domaines les plus importants de la robotique douce, les robots souples de locomotive agissent comme une certaine connexion entre lhomme et ´ la nature. Dans la nature, de nombreux animaux à corps mou tels que la chenille, la méduse, la pieuvre et le ver ont inspiré la conception de robots mous. Pendant ce temps, l’étude des robots mous aide les chercheurs à approfondir la reconnaissance de la nature charmante. Bien que de nombreux efforts aient été faits sur les robots souples de locomotives qui sont désormais généralement capables d’effectuer des opérations dans des environnements difficiles et dans des environnements non définis, la plupart des robots de locomotives souples se concentrent sur des tâches exécutées sur le plan horizontal. Des robots souples capables d’effectuer des tâches sur un plan incliné et même vertical sont nécessaires pour étendre les impacts du champ robotique souple et explorer davantage les limites de la science et de la technologie. La thèse présentée ici introduit léxploration de solutions aux problèmes existants ci-dessus basés sur les robots souples à base d’élastomère et les robots souples à base de papier, et présente un nouveau chapitre dans le domaine de la robotique souple.

Láuteur implique une nouvelle technologie, ládhésion électrostatique, dans des robots mous pour réaliser la fonction de montée. Dans le travail à base d’élastomère, ládhérence électrostatique est appliquée à un robot souple quadrupède en incorporant un tampon dádhérence mince et conforme (en PDMS et encre Ag / AgCl) sur chaque jambe du robot. Grâce à ládhérence inhérente au PDMS, les expériences montrent que le tampon dádhérence peut fournir un changement assez important (jusqu’à 3,1 N) de la force de friction entre la jambe du robot et le substrat correspondant. Ce changement de friction permet au robot de changer son modèle de déplacement sous la même séquence de contrôle. Le robot peut avancer, reculer ou rester au même endroit à láide de la régulation des forces de friction induites par ládhésion électrostatique. Un modèle cinématique simplifié est développé pour le robot quadrupède pour expliquer le rôle important joué par les forces de frottement, et par conséquent, pour montrer le potentiel prometteur de ládhésion électrostatique dans le développement de robots mous déscalade. Dans ce travail, la présence dádhérence électrostatique permet non seulement au robot de changer la direction de déplacement sur le plan horizontal, mais rend également le robot capable de grimper sur une surface glissante inclinée plutôt que de glisser vers le bas. Cependant, une montée verticale à 90 degrés n’est pas réalisée sur ce robot quadrupède car láctionnement pneumatique du robot produira un couple de chute important sous gravité qui rompra la fixation des jambes au substrat.

Afin de surmonter les problèmes posés par la gravité, láuteur développe un robot doux à base de papier qui réalise à la fois une montée horizontale et verticale sur un substrat placé à 90 degrés. Le robot, fabriqué à partir de papier et d’alliage à mémoire de forme (SMA), peut être contrôlé pour grimper aux murs sous certaines combinaisons de modèles d’activation d’adhérence électrostatique et de contraction du SMA. L’adhérence électrostatique est appliquée à l’aide d’une structure en papier avec des électrodes interdigitées intégrées. Cette structure, entièrement compatible avec le robot à base de papier, est capable de produire des forces d’adhésion fortes et fiables (la force de friction résultante peut être aussi élevée que 1,65 N sur des substrats spécifiques), et elle peut être facilement activée et désactivée à l’aide d’un commercial convertisseur haute tension. Le SMA intégré dans le robot est utilisé pour déformer le corps du robot et induire des déplacements contractuels tout en étant activé. Un modèle SMA à ressort de polarisation appliqué à ce robot est simulé et comparé aux résultats expérimentaux, qui montre une précision de prédiction relativement bonne. Avec les structures ci-dessus, nous démontrons la capacité de marche et d’escalade de ce robot avec une vitesse de locomotion de 1 mm / s. L’escalade sur un mur vertical dans les deux directions verticale et horizontale est réalisée.

De plus, une version non attachée du robot d’escalade à base de papier est développée pour rapprocher le robot de certaines tâches. Afin d’intégrer toute l’électronique, la taille du robot est plus grande que la version captive pour renforcer sa capacité à maintenir des poids et à lutter contre la gravité. Un minuscule microcontrôleur, Attiny84, est utilisé pour contrôler l’activation du SMA et l’activation / désactivation des plots d’adhésion. Chaque plot possède un MOSFET haute tension individuel pour contrôler sa force d’adhésion. Grâce au MOSFET haute tension, le couple de chute est beaucoup plus faible qu’auparavant et le problème de la puissance de sortie du petit microcontrôleur est également résolu. Avec les structures ci-dessus, nous démontrons la capacité de marche et d’escalade de ce robot avec une vitesse de locomotion de 0.6-0.8 mm / s. L’escalade sur un mur vertical dans les directions verticale et horizontale est également réalisée. Pendant ce temps, depuis sa propriété non liée, ce robot a le potentiel d’effectuer des tâches telles que la détection de surface et la vidéosurveillance, ce qui rend le robot souple plus proche de l’application réelle.