Passive and active liquid mediation in natural and synthetic morphing systems

Abstract

Taimed kohandavad oma jäikust ja kuju, jaotades vett ümber. Taimede struktuurid võivad suunata vett nii, et see tekitab kohaliku paisumise just siis ja seal, kus seda vaja on — see on jätkusuutlik lähenemine muutuva keskkonnaga kohanemisele. Samuti on nõudlus kantava tehnoloogia järele, mis toetab keha liikumist lokaalselt, ilma raskete ja kohmakate väliste seadmeteta. Hoolimata taimedest inspireeritud vedelikel põhinevate mehhanismide potentsiaalist pakkuda kõrgelt integreeritud struktuurides robotfunktsionaalsust ja suuremat kandja mugavust, ei ole praktilisi insenertehnilisi süsteeme, mis moduleeriksid mehaanilist käitumist lokaalse paisumise abil, siiani välja töötatud. Käesolevas töös tutvustatud vedeliku ümberpaiknemise jälgimise meetodid võimaldasid selgitada nii taime- kui tehisstruktuurides toimuvaid vedeliku–maatriksi vastastikmõju mehhanisme. Väitekiri näitas hüdratsiooni ajaloo olulisust süsteemide reageerimisvõimes. Ilmsiks tulnud vedelikumahtude gradiendid toovad esile, kuidas konfiguratsioonimuutused võimenduvad süsteemi mehaaniliselt kõige olulisemates osades, võimaldades pundumise kiiruse ja ulatuse optimeerimist. Rakendades looduslikest vedelikuvahendatud süsteemidest pärinevaid põhimõtteid ja integreerides aktiivse vedeliku juhtimise, realiseeriti selles töös sünteetiline muutuva jäikusega süsteem, mis suudab vajaduse korral punduda. Seega ei edenda väitekiri üksnes vedelikuvahendatud kehalise tarkuse teooriat, vaid pakub ka suuniseid vedelikuvahendatud pehmerobootikasüsteemide jaoks.

Plants adjust their stiffness and shape by redistributing water. Plant structures can direct water to cause local swelling when and where needed, which is a sustainable approach to adapting to a changing environment. There is also a demand for wearable technology that assists body movement locally, without heavy and bulky external devices. Despite the promise of plant-inspired liquid mechanisms to deliver robotic functionality in highly integrated structures and greater wearer comfort, practical engineered systems that modulate mechanical behavior via localized swelling have not been developed. Moreover, liquid–tissue interaction in plants is still not fully understood. The introduced liquid displacement monitoring methods enabled elucidation of liquid–matrix interaction mechanisms in plant and synthetic structures. The thesis showed the significance of hydration history in systems’ responsiveness. The revealed non-uniform local liquid volume variations highlight how configurational changes are amplified in the mechanically most relevant parts of the system, enabling optimization of swelling speed and extent. By introducing cues from natural liquid-mediated systems and integrating active liquid control, this work implemented a synthetic variable-stiffness system that can swell on demand. As a result, the thesis not only advances the theory of liquid-mediated embodied intelligence but also offers guidelines for liquid-mediated soft-robotic systems.