ETD

• artificial bladder
• attuatori idraulici
• bellows actuator
• dispositivi biomedicali impiantabili
• hydraulic actuators
• implantable biomedical devices
• robotica soffice
• silicone elastomer
• soft robotics
• vescica artificiale

This thesis analyzes soft hydraulic linear actuators designed for implantable artificial organs, comparing heat-sealed thin-film actuators (positive pressure) made of thermoplastic polyurethane (TPU) with those made of platinum-cured cast silicone (negative pressure), in bellows and kirigami geometries. Eight TPU variants and one silicone bellows actuator were fabricated and characterised for actuation pressure, axial deformation, actuation volumes, and energy density. The silicone bellows achieved up to 80% contraction (ΔP ≈ −11 kPa), while the most efficient TPU variant produced 5 N with 8.2 mm of axial displacement. Both, together with a silicone kirigami actuator inherited from previous work, were validated on an artificial bladder developed in the laboratory previously. The TPU bellows produced safe voiding pressures (~1.1 kPa) but incomplete voiding (PVR 91±4 mL). The kirigami contributed mainly through passive elastic recoil (PVR 67.7±3.1 mL). Silicone bellows, on the other hand, have consistently met both clinical thresholds (PVR 57.3±2.5 mL and VT 54 s) across all tested urethral angles, maintaining intravesical pressure < 1.4 kPa, under the 4 kPa safety limit. The bellows geometry proved to be better in stroke and force output compared to kirigami; silicone proved to be better in contraction ratio and hysteresis-free behaviour compared to TPU. Future developments will focus on optimising the internal volume of the silicone bellows and on its integration onto the AB.

Questa tesi ha analizzato attuatori lineari idraulici soffici per organi artificiali impiantabili, confrontando attuatori in film di poliuretano termoplastico (TPU) termosaldati (pressione positiva) e silicone elastomerico colato (pressione negativa), nelle geometrie a soffietto e kirigami. Otto varianti TPU e una in soffietto in silicone sono stati fabbricati e caratterizzati per pressione di attuazione, deformazione assiale, volumi di attuazione e densità di energia. Il soffietto in silicone ha raggiunto l'80% di contrazione (ΔP ≈ −11 kPa), mentre la variante TPU migliore ha generato 5 N con 8,2 mm di spostamento assiale. Entrambi, insieme a un attuatore kirigami in silicone, da lavori precedenti, sono stati validati su una vescica artificiale sviluppata nel laboratorio precedentemente. Il soffietto TPU ha generato pressioni di svuotamento sicure (~1,1 kPa) ma svuotamento incompleto (PVR 91±4 mL). Il kirigami ha contribuito principalmente per ritorno elastico (PVR 67,7±3,1 mL). Il soffietto in silicone invece, permette di rispettare entrambe le soglie (PVR 57,3±2,5 mL e VT 54s) a tutti gli angoli uretrali testati, con pressione intravescicale < 1,4 kPa, al di sotto del limite di 4 kPa. La geometria a soffietto ha superato il kirigami in corsa e forza; il silicone ha superato il TPU in contrazione e assenza di isteresi. Sviluppi futuri riguarderanno l'ottimizzazione del volume interno del soffietto in silicone e la sua integrazione sulla AB.