• benthic robot
• finite element modeling
• hydraulic actuation
• hyperbaric testing
• Nephrops Norvegicus
• pneumatic actuation
• soft actuator
• soft robotics
• TPU
• underwater exploration

Thanks to its advantages in flexibility and non-invasive interaction with delicate marine ecosystems, soft robotics is emerging as an innovative solution for marine exploration. This thesis focuses on the design, modeling, fabrication, and testing of a soft robotic end-effector for underwater applications, specifically for exploring Nephrops Norvegicus burrows. The research integrates biological studies, material characterization, modeling techniques, experimental validation in controlled submerged environments, and the development of a hydraulic actuation system optimized for underwater use. To define the design requirements of the end-effector, a methodical process was followed based on detailed analyses of Nephrops Norvegicus burrows and feedback from expert marine biologists. After evaluating various actuation strategies, multilayered bellow-shaped soft pneumatic actuators (MBSPAs) were selected for their elongation capability and modularity. The fabrication process involved assembling multiple layers of thermoplastic polyurethane (TPU), thermally bonded to create a system of interconnected air chambers. Material characterization included uniaxial tensile tests on TPU samples to obtain hyperelastic material curves, which were then used in finite element simulations to predict actuator deformation. The experimental phase included pneumatic and hydraulic actuation tests. Additional tests were performed to evaluate the actuator's mobility in a Nephrops Norvegicus burrow mock-up, response time, and elongation and force under different pressures and TPU thicknesses. Hyperbaric chamber tests confirmed that the actuator could withstand pressures equivalent to 20 meters depth, demonstrating its durability for deep-sea applications. Furthermore, the soft actuator was integrated with the hydraulic actuation circuit, making the system ready for future installation on a benthic robotic platform for real-world underwater missions. The results suggest potential improvements, such as reducing the size of internal chambers to enhance adaptability to narrower burrows. This research makes a significant contribution to underwater soft robotics, laying the foundation for future applications in deep-sea burrow exploration.

Grazie ai suoi vantaggi in termini di flessibilità e interazione non invasiva con ecosistemi marini delicati, la soft robotics sta emergendo come una soluzione innovativa per l'esplorazione marina. Questa tesi si concentra sulla progettazione, modellazione, fabbricazione e test di un end-effector robotico soffice per applicazioni subacquee, con particolare riferimento all'esplorazione delle tane di Nephrops Norvegicus. La ricerca integra studi biologici, caratterizzazione dei materiali, tecniche di modellazione, validazione sperimentale in ambienti sommersi controllati e lo sviluppo di un sistema di attuazione idraulica ottimizzato per l’uso subacqueo. Per definire i requisiti di design dell'end-effector è stato seguito un processo metodico basatosi su analisi dettagliate delle tane di Nephrops Norvegicus e sul feedback di esperti biologi marini. Dopo aver esaminato diverse strategie di attuazione, sono stati scelti attuatori soffici multistrato a soffietto (MBSPA) per la loro capacità di allungamento e modularità. Il processo di fabbricazione ha previsto l'assemblaggio di più strati di poliuretano termoplastico (TPU), saldati termicamente per creare un sistema di camere d'aria interconnesse. La caratterizzazione dei materiali ha incluso test di trazione uniaxiale su campioni di TPU per ottenere curve di modelli iperelastici, poi utilizzati in simulazioni agli elementi finiti per prevedere la deformazione dell'attuatore. La fase sperimentale ha incluso test di attuazione pneumatica e idraulica. Ulteriori test sono stati condotti per valutare la mobilità dell'attuatore in un modello di tana di Nephrops Norvegicus, il tempo di risposta e l'allungamento e la forza sotto diverse pressioni e spessori di TPU. I test in camera iperbarica hanno confermato che l'attuatore può resistere a pressioni equivalenti a 20 metri di profondità, dimostrando la sua durabilità per applicazioni in acque profonde. Inoltre, l'attuatore soffice è stato integrato con il circuito di attuazione idraulico, rendendo il sistema pronto per una futura installazione su un robot bentonico per missioni subacquee reali. I risultati suggeriscono possibili miglioramenti, come la riduzione delle dimensioni delle camere interne, per migliorarne l'adattabilità a tane più strette. Questa ricerca rappresenta un contributo significativo alla soft robotics subacquea ponendo le basi per future applicazioni nell’esplorazione delle tane in acque profonde.