ETD

• bioinspired robotic
• elephant trunk
• foams
• muscular hydrostat
• pneumatic artificial muscles
• soft robotics

The elephant trunk is a muscular hydrostat: a structure without a rigid skeleton that deforms through the coordinated action of differently oriented muscles and the connective tissue linking them. This thesis presents the design and initial implementation of a trunk-inspired artificial hydrostat. It aims to reproduce two key features: the anatomical organization that changes from base to tip and the ability to shorten and elongate through antagonist actuation. The connective-tissue analogue plays a functional role in transmitting loads, deforming, and contributing to mechanical recovery.
The design begins with quantitative analysis of transverse sections of an elephant trunk. The selected parameters are the area percentage of connective tissue relative to the combined muscle and connective-tissue area, the major-to-minor axis ratio of an approximately elliptical section, and the progression of cross-sectional area. The biological structure is simplified into three regions: base, middle, and tip. Their reference connective-tissue fractions are approximately 40%, 50%, and 60%, respectively; their elliptical axis ratios are approximately 1.68, 1.95, and 1.99. This gradient describes a relatively muscle-rich base and a connective-tissue-rich tip. In each artificial region, the parameters are assigned to the section halfway along its length; the axis ratio comes from the median of the corresponding biological sections.
The proposed architecture is 160 mm long, with base, middle, and tip regions measuring 40, 80, and 40 mm, respectively. Its tapered geometry has elliptical sections that decrease in size towards the distal end. The number and diameter of longitudinal muscles were selected together to match the target cross-sectional area fractions of actuators and connective tissue. The design includes nine actuators at the base, six in the middle, and three at the tip, with nominal design diameters of approximately 12, 9, and 6 mm. The 3–6–9 progression from tip to base follows a regular triangular packing logic and increases active area where the connective-tissue fraction is lower. The area balance defines geometric composition; conservation of volume during motion must be assessed experimentally.
The active elements are McKibben pneumatic muscles, which shorten axially and expand radially when pressurized. Longitudinal muscles are intended to shorten the structure, while circumferential muscles compress the soft matrix to promote axial elongation. Several circumferential configurations were investigated by varying the number of McKibben muscles, with the aim of identifying an arrangement capable of meeting the elongation target while limiting local bulging.
The connective-tissue analogue is a silicone foam. Soma Foama 15, Soma Foama 25, and a modified Soma Foama 15 formulation with a larger amount of component A were considered. Cyclic tensile and compression tests provide measures for comparing stiffness, recovery, hysteresis, and dissipated energy; compression is examined at 25% and 50% strain. Individual pneumatic muscles of different sizes were also characterized by measuring contraction, radial expansion, and force–displacement response. These tests describe the components before integration: an actuator’s free contraction does not necessarily equal the shortening of the assembled prototype, because it must also deform the foam and interact with antagonist actuators.
Simplified actuator–matrix configurations were examined to study how radial compression generates axial motion and how this response depends on the number of circumferential muscles. Finite element simulations were also performed, representing pneumatic contraction through an equivalent thermal strain calibrated against actuator measurements. Comparing simulated deformations with experimental results helped verify and interpret the observed response. The resulting model can also support future exploration of actuator number, placement, and geometry, including their effects on elongation and local bulging. The three-region architecture is defined at the design level, while the first integrated physical implementation concerns the tip. Fabricating this module demonstrates initial assembly feasibility without establishing the performance of the complete structure.
The functional benchmarks are approximately 30% elongation, 10–15% shortening, and an absolute relative volume change no greater than 5%. These figures are design targets, not measured results for the complete hydrostat. Establishing whether they are met will require actuation tests on the full structure, measurements of deformation and volume, and assessment of repeatability. The thesis contributes a methodology integrating anatomical data, material selection, actuator characterization, experiments, and FEM simulations to design an artificial muscular hydrostat in which the connective-tissue analogue contributes to force transmission and structural deformation.

La proboscide dell’elefante è un idrostato muscolare: una struttura priva di scheletro rigido che si deforma grazie all’azione coordinata di muscoli orientati in direzioni diverse e del tessuto connettivo che li collega. Questa tesi propone il progetto e una prima realizzazione di un idrostat artificiale ispirato alla proboscide. L’obiettivo è riprodurne due proprietà fondamentali: l’organizzazione anatomica variabile dalla base alla punta e la capacità di accorciarsi e allungarsi mediante attuazione antagonista. L’analogo del tessuto connettivo è considerato una componente funzionale, capace di trasmettere sollecitazioni, deformarsi e contribuire al recupero meccanico.
Il progetto parte dall’analisi quantitativa di sezioni trasversali della proboscide. I parametri selezionati sono la percentuale areale di tessuto connettivo rispetto alla somma delle aree di muscolo e connettivo, il rapporto tra asse maggiore e asse minore della sezione approssimata con un’ellisse e la progressione dell’area trasversale. Il modello biologico viene semplificato in tre regioni: base, parte intermedia e punta. Le frazioni di connettivo di riferimento sono circa 40%, 50% e 60%, rispettivamente; i rapporti tra gli assi ellittici sono circa 1,68, 1,95 e 1,99. Il gradiente descrive una base relativamente più ricca di muscoli e una punta più ricca di connettivo. Per ciascuna regione, i parametri sono applicati alla sezione posta a metà della sua lunghezza; il rapporto tra gli assi è ricavato dalla mediana delle corrispondenti sezioni biologiche.
L’architettura progettata misura complessivamente 160 mm ed è suddivisa in base, regione intermedia e punta lunghe rispettivamente 40, 80 e 40 mm. La struttura è rastremata e presenta sezioni ellittiche progressivamente più piccole verso l’estremità distale. Numero e diametro dei muscoli longitudinali sono stati scelti congiuntamente per rispettare le frazioni areali previste di attuatori e connettivo. Sono previsti nove attuatori alla base, sei nella parte intermedia e tre alla punta, con diametri nominali di progetto pari a circa 12, 9 e 6 mm. La progressione 3–6–9 dalla punta alla base segue una logica di disposizione triangolare regolare e aumenta l’area attiva dove la quota di connettivo è minore. Il bilancio delle aree definisce la composizione geometrica; la conservazione del volume durante il movimento deve invece essere verificata sperimentalmente.
Gli elementi attivi sono muscoli pneumatici McKibben, che si accorciano assialmente ed espandono radialmente quando vengono pressurizzati. Quelli longitudinali producono l’accorciamento della struttura; quelli disposti circonferenzialmente comprimono la matrice soffice per favorirne l’allungamento assiale. Per gli attuatori circonferenziali sono state esplorate configurazioni con numeri diversi di muscoli, allo scopo di individuare quella più adatta a raggiungere l’allungamento richiesto limitando i rigonfiamenti locali.
La matrice che rappresenta il tessuto connettivo è una schiuma siliconica. Sono state considerate Soma Foama 15, Soma Foama 25 e una formulazione modificata di Soma Foama 15 con una maggiore quantità del componente A. Prove cicliche di trazione e compressione consentono di confrontare rigidezza, recupero, isteresi ed energia dissipata; in compressione sono considerati livelli di deformazione del 25% e del 50%. Sono stati inoltre caratterizzati singoli muscoli pneumatici di varie dimensioni, misurandone l’accorciamento, l’espansione radiale e la risposta forza–spostamento. Queste misure descrivono i componenti prima dell’integrazione: la contrazione libera di un attuatore non coincide necessariamente con l’accorciamento dell’intero prototipo, che deve deformare anche la schiuma e interagire con gli attuatori antagonisti.
Configurazioni semplificate attuatore–matrice sono state esaminate per studiare come la compressione radiale generi movimento assiale e come questo dipenda dal numero di muscoli circonferenziali. Sono state inoltre svolte simulazioni agli elementi finiti, nelle quali la contrazione pneumatica è rappresentata mediante una deformazione termica equivalente calibrata sulle misure degli attuatori. Il confronto tra deformazioni simulate e risultati sperimentali è stato utilizzato per verificare e interpretare la risposta osservata. Il modello ottenuto offre inoltre uno strumento per esplorare in futuro numero, disposizione e geometria degli attuatori, valutandone l’effetto sull’allungamento e sui rigonfiamenti. L’architettura delle tre regioni è definita a livello progettuale, mentre la prima realizzazione fisica integrata riguarda la punta; la sua fabbricazione dimostra la fattibilità iniziale dell’assemblaggio, senza stabilire le prestazioni della struttura completa.
I riferimenti funzionali sono circa il 30% di allungamento, il 10–15% di accorciamento e una variazione relativa del volume non superiore al 5% in valore assoluto. Questi valori sono obiettivi di progetto, non risultati già misurati sull’idrostat completo. Per valutarne il raggiungimento serviranno prove di attuazione sull’intera struttura, misure di deformazione e volume e verifiche della ripetibilità. Il contributo della tesi è una metodologia che integra dati anatomici, scelta dei materiali, caratterizzazione degli attuatori, prove sperimentali e simulazioni FEM per progettare un idrostat muscolare artificiale in cui l’analogo del tessuto connettivo contribuisce alla trasmissione delle forze e alla deformazione della struttura.