Sviluppo e caratterizzazione di attuatori Soft Robots per la progettazione di un simulatore cardiaco a contrazione attiva

Purpose: This thesis aims to develop and characterize Soft Robot actuators to design an active contracting cardiac simulator. Specifically, the manufacturing methodology of Soft Robot actuators, their characterization, and integration into a dedicated electro-pneumatic circuit will be discussed. Methods: As a result of a literature review, methodologies were implemented for the development of two types of Soft Robot actuators, known as McKibben and f-PAM, both categorized under Pneumatic Artificial Muscles (PAM). The actuators were obtained using the injection moulding technique of silicone materials using molds designed with CAD software and 3D printed in PLA. The McKibben actuators, consisting of a hollow cylindrical silicone structure embedded with a woven mesh, were designed to simulate longitudinal contraction and cardiac twisting. Instead, to achieve the circumferential contraction typical of cardiac walls, f-PAM actuators were developed in the style of simplified ventricular chambers composed of a silicone bilayer interposed by a network of channels and chambers deformable under pressure. An electro-pneumatic circuit was designed to drive these Soft Robot actuators. To assess the contraction capacity, actuation time, developed force, and operating pressure, both actuators and the circuit were characterized. Results: Testing of McKibben actuators demonstrated their effectiveness in developing forces, reaction times, and longitudinal contractions comparable to those found in the literature. Tests on f-PAM actuators yielded positive results, achieving stroke volume values comparable to physiological ones despite potential improvements in production technique. Additionally, the electro-pneumatic circuit was shown to be capable of ensuring regular and cyclical actuator actuation. Conclusions: The implemented Soft Robotic actuation system demonstrated the ability to replicate both longitudinal and circumferential contraction, which are characteristics of cardiac muscle. Future developments could involve the implementation of a more sophisticated electro-pneumatic circuit, improvements in the production mode of f-PAM actuators, and integration of both actuators into a silicone model of active cardiac contraction.

Scopo: Il presente lavoro di tesi si pone l’obiettivo di sviluppare e caratterizzare attuatori Soft Robot per la progettazione di un simulatore cardiaco a contrazione attiva. In particolar modo, verrà discussa la metodologia di produzione degli attuatori Soft Robot, la loro caratterizzazione ed integrazione in un circuito elettropneumatico dedicato. Metodi: Partendo dall’analisi della letteratura, sono state implementate le metodologie per lo sviluppo di due tipologie di attuatori Soft Robot, noti come McKibben e f-PAM, appartenenti alla categoria dei Pneumatic Artificial Muscles (PAM). Gli attuatori sono stati ottenuti tramite la tecnica dell’injection moulding di materiali siliconici utilizzando stampi progettati tramite software CAD e stampati 3D in PLA. Nello specifico, gli attuatori McKibben, costituiti da una struttura cilindrica cava in silicone con incorporata una rete intrecciata, sono stati progettati per emulare la contrazione longitudinale e il twisting cardiaco. Invece, gli attuatori f-PAM, simili a camere ventricolari semplificate costituite da un doppio strato siliconico interposto da una rete di canali e camere deformabili alla pressurizzazione, sono stati sviluppati per l’ottenimento della contrazione circonferenziale tipica delle pareti cardiache. Successivamente, è stato implementato un circuito elettropneumatico con lo scopo di azionare questi attuatori Soft Robot. Sia gli attuatori che il circuito sono stati caratterizzati al fine di valutare la capacità di contrazione, i tempi di azionamento, la forza sviluppata e la pressione operativa. Risultati: I test condotti sugli attuatori McKibben hanno dimostrato l’efficacia degli stessi nello sviluppare forze, tempi di reazione e contrazioni longitudinali paragonabili ai valori riportati in letteratura. I test sui f-PAM hanno riportato esiti positivi, raggiungendo valori di stroke volume paragonabili a quelli fisiologici, nonostante possibili miglioramenti nella tecnica di produzione. Le caratterizzazioni hanno anche confermato la capacità del circuito elettropneumatico di garantire attuazioni regolari e cicliche degli attuatori. Conclusioni: Il sistema di attuazione di Soft Robotic implementato ha dimostrato di essere in grado di replicare sia la contrazione longitudinale che quella circonferenziale, proprie del muscolo cardiaco. Sviluppi futuri potrebbero includere all’implementazione di un circuito elettropneumatico più sofisticato, miglioramenti nella modalità di produzione degli attuatori f-PAM e l’integrazione di entrambi gli attuatori in un modello siliconico di contrazione cardiaca attiva.