Electrospun hierarchical artificial muscle for soft robotics applications

Nowadays, one of the most ambitious challenges in soft robotics is the development of actuators capable to achieve performance comparable to skeletal muscles. Scientists have been working for decades, inspired by Nature, to mimic both their complex structure and their perfectly balanced features in terms of linear contraction, force-to-weight ratio, scalability and flexibility. The present Thesis, contextualized within the FET open Horizon 2020 project MAGNIFY, aims to develop a new family of innovative flexible actuators in the field of soft-robotics. For the realization of this actuator, a biomimetic approach has been chosen, drawing inspiration from skeletal muscle. Their hierarchical fibrous structure was mimicked employing the electrospinning technique, while the contraction of sarcomeres was designed employing chains of molecular machines, supramolecular systems capable of performing movements useful to execute specific tasks. The first part deals with the design and production of the basic unit of the artificial muscle, the artificial myofibril, consisting in a novel electrospun core-shell nanofiber, with elastomeric shell and electrically conductive core, coupled with a conductive coating, for the realization of which numerous strategies have been investigated. The second part deals instead with the integration of molecular machines (provided by the project partners) inside these artificial myofibrils, preceded by the study of several model molecules, aimed at simulating the presence of these molecular machines during the initial phases of the project. The last part concerns the realization of an electrospun multiscale hierarchical structure, aimed at reproducing the entire muscle morphology and fibrous organization. These research will be joined together in the near future like the pieces of a puzzle, recreating the artificial actuator most similar to biological muscle ever made, composed of millions of artificial myofibrils, electrically activated in which the nano-scale movement of molecular machines will be incrementally amplified to the macro-scale contraction of the artificial muscle.

Caratterizzazione e progettazione di un attuatore differenziale elastico compatto per la robotica collaborativa

Lo sviluppo della robotica collaborativa, in particolare nelle applicazioni di processi industriali in cui sono richieste la flessibilità decisionale di un utilizzatore umano e le prestazioni di forza e precisione garantite dal robot, pone continue sfide per il miglioramento della capacità di progettare e controllare al meglio questi apparati, rendendoli sempre più accessibili in termini economici e di fruibilità. Questo cambio di paradigma rispetto ai tradizionali robot industriali, verso la condivisone attiva degli ambienti di lavoro tra uomo e macchina, ha accelerato lo sviluppo di nuove soluzioni per rendere possibile l’impiego di robot che possano interagire con un ambiente in continua mutazione, in piena sicurezza. Una possibile soluzione, ancora non diffusa commercialmente, ma largamente presente in letteratura, è rappresentata dagli attuatori elastici. Tra gli attuatori elastici, l’architettura che ad oggi ha destato maggior interesse è quella seriale, in cui l’elemento cedevole viene posto tra l’uscita del riduttore ed il carico. La bibliografia mostra come alcuni limiti della architettura seriale possano essere superati a parità di proprietà dinamiche. La soluzione più promettente è l’architettura differenziale, che si caratterizza per l’utilizzo di riduttori ad un ingresso e due uscite. I vantaggi mostrati dai primi risultati scientifici evidenziano l’ottenimento di modelli dinamici ideali paragonabili alla più nota architettura seriale, superandola in compattezza ed in particolare semplificando l’installazione dei sensori necessari al controllo. In questa tesi viene effettuata un’analisi dinamica preliminare ed uno studio dell’attitudine del dispositivo ad essere utilizzato in contesto collaborativo. Una volta terminata questa fase, si presenta il design e la progettazione di un prototipo, con particolare enfasi sulla scelta di componenti commerciali ed il loro dimensionamento, oltre alla definizione della architettura costruttiva complessiva.