Biotensegrity yang diilhamkan oleh organisma hidup memiliki sebahagian besar sifat
mekanik cemerlang yang terkandung dalam sistem biologi seperti kecekapan, berkestabilan
diri, berhierarki dan berupaya menyalurkan pelbagai fungsi. Di samping itu, biotensegrity
sebagai satu model yang terhasil daripada inspirasi rupa bentuk dan fungsi sistem biologi
yang berhierarki juga menunjukkan potensinya dalam perubahan bentuk. Maka, kajian
biotensegrity sebagai satu alternatif baru dalam aplikasi yang memerlukan perubahan bentuk
seperti lengan fleksibel dalam industri pembinaan adalah diperlukan. Walau bagaimanapun,
penyelidikan dalam menghasilkan konfigurasi dan model matematik biotensegrity yang
melibatkan perubahan bentuk adalah terhad. Dengan ini, model yang berinspirasikan sistem
biologi terutamanya dari segi rupa bentuk seperti dimensi dan lengkungan semula jadi
tetulang belakang manusia yang berkeupayaan dalam perubahan bentuk untuk kegunaan
sebagai alatan robot adalah tujuan utama kajian ini. Khususnya, penyelidikan ini bertujuan
untuk (1) memperolehi konfigurasi model biotensegrity berunsurkan tetulang belakang
manusia, spine biotensegrity structure (SBS) melalui fomulasi matematik, (2) mencadangkan
algoritma untuk tujuan simulasi perubahan bentuk, dan (3) mengkaji perilaku model asli SBS.
Metodologi kajian ini melibatkan tiga fasa. Dalam fasa pertama, prosedur pencarian
konfigurasi model biotensegrity yang berunsurkan tetulang belakang manusia yang
bertingkat empat dan jenis kelas satu telah diterbitkan. Usaha pencarian konfigurasi ini
melibatkan kaedah menyelesaikan persamaan sistem keseimbangan melalui cara Moore-
Penrose generalized inverse, penentuan ragam tegasan keseimbangan-diri melalui asas
penguraian serta pengoptimunan pekali untuk gabungan linear ragam tegasan keseimbangandiri.
Kelebihan ciri tetulang belakang manusia seperti kelangsingan, kelengkungan semula
jadi dan unsur rangkaian penstabilan seperti tetulang dan otot telah digunakan dalam
pencarian konfigurasi model SBS. Di samping itu, dua kaedah khusus yang berkesan telah
digunakan dalam pencarian konfigurasi model SBS yang berkeseimbangan-diri, iaitu dengan
melalui pelarasan sudut putaran dan juga penganjakan kordinasi nod asal. Setelah usaha
pencarian konfigurasi model SBS yang berkeseimbangan-diri, keupayaan model tersebut
menjalani proses perubahan bentuk secara tambahan telah disiasat dalam fasa kedua.
Khususnya, nod model SBS yang tidak dikekang telah dipilih sebagai nod dipantau di mana
nod tersebut diperlukan untuk mencapai anjakan sasaran yang dinyatakan dalam magnitud
tertentu. Keupayaan dalam perubahan bentuk model SBS ke arah sasaran boleh dicapai
dengan pemanjangan kabel. Strategi pengiraan untuk perubahan bentuk melibatkan dua
peringkat: penerbitan persamaan keseimbangan tambahan dan pengoptimunan pemanjangan
kabel dengan pengaturcaraan berjujukan quadratik (sequential quadratic programming).
Dalam fasa ketiga, ciri-ciri model SBS seperti konfigurasi dan perubahan dalam daya paksi
setelah analisis perubahan bentuk telah disiasat. Empat mod pergerakan berikut telah dikaji
untuk menyiasat ciri-ciri model SBS setelah perubahan bentuk: mod pergerakan dalam satu,
dua, tiga arah dan mod putaran. Kajian ini telah berjaya memperolehi konfigurasi
biotensegrity berunsurkan tetulang belakang manusia berkeseimbangan-diri. Sebanyak tiga
konfigurasi model yang baru telah dihasilkan. Kajian ini juga mencadangkan prosedur yang
melibatkan pengiraan perubahan bentuk secara tambahan untuk model SBS. Simulasi
berangka ke atas tensegrity biasa dan model SBS telah menunjukkan sifat penumpuan yang
unggul untuk algoritma yang dicadangkan dalam analisis perubahan bentuk. Hasil kajian ini
menunjukkan algoritma yang dicadangkan adalah berkesan bagi model yang
berkeseimbangan-diri untuk mencari kordinat sasaran dalam pelbagai mod pergerakan
melalui pemanjangan kabel. Hasil kajian ini juga menunjukkan bahawa model SBS
berkeupayaan dalam perubahan bentuk secara lenturan, ubah bentuk paksi dan kilasan di
samping menunjukkan perubahan daya dalam anggota yang ketara semasa perubahan bentuk.
Perubahan daya paksi yang aktif terutama dalam kumpulan elemen yang jauh dari nod
dipantau juga dikesan. Sebagai kesimpulan, hasil kajian ini memberi sumbangan ke arah
merealisasikan lengan fleksibel yang berunsurkan tetulang belakang yang berkeupayaan
pelbagai corak perubahan bentuk.
_______________________________________________________________________
Biotensegrity mimicking the living organisms possesses excellent characteristics that duly
demonstrate most of the properties in biological systems such as efficiency, self-stabilization,
multi-modularity and multi-functional. Moreover, biotensegrity as a model emulated from
the forms and functions of hierarchical biological system reveals its great potential in shape
change ability. Therefore it is highly suitable to study biotensegrity as a new alternative
choice for possible application where shape change ability is desired such as flexible arm in
construction industry. However, there are limited studies on form finding of biotensegrity
configurations and mathematical models on shape change of biotensegrity. Mimicking
biological system by their shape, pertinent anatomical dimensions and natural curvature of
human spine to seek its potential in shape change beneficial to application like automated
robotic tools is the overall aim of this study. Specifically, this basic study aims to (1)
formulate mathematical procedures for finding self-equilibrated configurations of spine biotensegrity structure (SBS) models (2) formulate computational strategy for simulating the
shape change of novel SBS models, and (3) evaluate the characteristics of the novel SBS
models. The methodology for this study consists of three phases. In the first phase,
assemblage and mathematical formulation procedure for form finding of self-equilibrated
four-stage class 1 biotensegrity models inspired by human spine or spine biotensegrity (SBS)
models are established. The form-finding procedure involves method of solving the system
of equilibrium equations through the use of Moore-Penrose generalized inverse,
determination of self-equilibrium stress modes via eigenvector basis decomposition and
optimization of coefficients for the linear combination of linearly independent selfequilibrium
stress modes. Advantageous features of human spine like the slenderness and
natural curvature in the geometry, as well as the stabilizing network consist of spinal column
and muscle are incorporated in the mathematical formulation of the configuration of the SBS
models. Additionally, two specific approaches in modification of nodal coordinates are
implemented to improve the efficiency for form-finding of self-equilibrated SBS models, i.e.
by means of adjustment of twist angles and modification of initial nodal coordinates. After
successful searching of the configuration of self-equilibrated SBS models, the ability of the
models to undergo shape change to achieve the prescribed state is investigated in the second
phase. Specifically, unconstrained nodes of SBS model are chosen as monitored nodes
where these nodes are required to reach a set of target displacements in prescribed
magnitudes and directional modes. The shape change of SBS models towards target state is
achieved by means of forced elongation of cable. Computational strategies for the shape
change consist of two stages: the derivation of incremental equilibrium equations and
optimization of the cables forced elongation by sequential quadratic programming. In the
third phase, the structural characteristics of SBS models such as the deformed configurations
and changes of axial force at the end of shape change analysis are investigated. The
following four cases of target displacements are studied in order to investigate the
characteristics of SBS models after shape change: uni-, bi-, tri-directional and twisting
modes. The current study has successfully formulated mathematically the self-equilibrated
configuration of SBS models inspired by human spine. A total of three novel selfequilibrated
configurations of SBS models were searched. This study has also proposed a set
of procedures involving incremental calculation for shape change analysis of SBS models.
Numerical simulations of the regular tensegrity and SBS models have proven the superior
convergent characteristic of the proposed algorithm for shape change analysis. The results
reveal that the proposed approach for shape change analysis has a very strong ability for a
self-equilibrated model to search their desired target coordinates in multi-directional modes
through optimization of the forced elongation in cables. It is also found that the SBS models
are capable to undergo bending, axial and torsional deformation. Active changes in forces
in element groups even within the far-away element groups of SBS models are observed
during the shape change analysis. In conclusion, the findings of this basic study have paved
the way for realization of spine inspired flexible arm with magnitude shape change ability.
Form finding and shape change analysis of spine inspired bio-tensegrity model_Oh Chai Lian_A9_2017_MYMY