Drawing on the driving mechanism of biological muscles and combining the nonlinear hyperelastic characteristics of silicone rubber, a multi-degree-of-freedom pneumatic soft bionic actuator is designed, which can be used as the executing mechanism for soft robots and robotic arms. Using response surface analysis and numerical simulation algorithms, the optimal combination of structural dimensions parameters is determined with the maximum bending and torsion angles output by the actuator as the optimization objectives. Based on the idea of flexible mechanism Piecewise Constant Curvature (PCC) modeling, the kinematics equation of the actuator is derived. Analyze the equivalent motion structure of the actuator and establish a dynamic model of the actuator based on the Lagrange method. The physical model of the actuator is manufactured using rapid prototyping technology. Finally, experimental testing and analysis are conducted on the physical model to obtain the motion and dynamic characteristics curves and empirical formulas of the actuator, which are compared with theoretical and simulation results to verify that the pneumatic soft bionic actuator is feasible and effective. The above research methods, processes, and results can provide reference and inspiration for the research and implementation of pneumatic and hydraulic soft robots and gripping actuators for soft robotic arms.

To meet the requirements of amphibious exploration, ocean exploration, and military reconnaissance tasks, a pneumatic amphibious soft bionic robot was developed by taking advantage of the structural characteristics, motion forms, and propulsion mechanisms of the sea lion fore-flippers, inchworms, Carangidae tails, and dolphin tails. Using silicone rubber as the main material of the robot, combined with the driving mechanism of the pneumatic soft bionic actuator, and based on the theory of mechanism design, a systematic structural design of the pneumatic amphibious soft bionic robot was carried out from the aspects of flippers, tail, head–neck, and trunk. Then, a numerical simulation algorithm was used to analyze the main executing mechanisms and their coordinated motion performance of the soft bionic robot and to verify the rationality and feasibility of the robot structure design and motion forms. With the use of rapid prototyping technology to complete the construction of the robot prototype body, based on the motion amplitude, frequency, and phase of the bionic prototype, the main execution mechanisms of the robot were controlled through a pneumatic system to carry out experimental testing. The results show that the performance of the robot is consistent with the original design and numerical simulation predictions, and it can achieve certain maneuverability, flexibility, and environmental adaptability. The significance of this work is the development of a pneumatic soft bionic robot suitable for amphibious environments, which provides a new idea for the bionic design and application of pneumatic soft robots.

During offshore natural gas extraction, the formation of hydrates in the wellbore poses a crucial issue that affects flow safety. There is a need to find a reliable solution to establish a wellbore with excellent thermal insulation and stability to prevent wellbore blockage. In this study, lightweight and thermally insulated (LWTI) composites with the desired mechanical strength for deep-sea natural gas development were prepared using oil-well cement (OWC) as the matrix and hollow glass microspheres (HGM) as the filler. A two-dimensional (2D) transient heat transfer mathematical model of the HGM/OWC LWTI composites was developed using the COMSOL Multiphysics software and solved using the finite element method. A transient heat transfer analysis of the HGM/OWC LWTI composites was performed. The effective thermal conductivities (keff) of the HGM/OWC LWTI composites were measured, and the values agreed well with the simulation results. The keff of the composites was approximately 0.371 W/(m·K) when the HGM (D51.8) content was 40 vol%. Compared to the traditional OWC (thermal conductivity ~ 0.889 W/(m·K)), the thermal insulation performance of the HGM/OWC LWTI composites was significantly improved. In addition, the density, mechanical properties, and water absorption of the HGM/OWC LWTI composites were investigated. The density of HGM/OWC LWTI composite material has been effectively reduced to a minimum of 1.31 g/cm3, 37% lower than that of pure cementing cement (2.08 g/cm3). The HGM/OWC LWTI composites exhibited good mechanical properties and low water absorption. This research can provide technical support for the efficient development of offshore natural gas.