Performance analysis of shape memory alloy actuators in a soft robotic fin

This thesis presents a comprehensive study on the design, fabrication, and actuation of a biomimetic pectoral fin for soft robotic underwater propulsion, employing Shape Memory Alloy (SMA) actuators as a driving mechanism. The study aims to quantitatively characterize the dynamic and kinematic behavior of a flexible fin structure, emphasizing the interaction between structural compliance, thermal response, and actuator performance in generating controlled undulatory motion. The fin design features a composite structure comprising a flexible silicone matrix embedded with SMA springs, fabricated using precision mold-based techniques to ensure reproducible geometry, controlled material distribution, and consistent elastic properties. The spatial configuration of the actuators, including the position and orientation of each element, is optimized to maximize stroke amplitude, enhance thermal management, and ensure reliable transmission of motion and forces. SMA integration strategies are designed to preserve biomimetic fidelity, enabling motion that closely replicates natural pectoral fin locomotion. Actuation is implemented via pulse-width modulation (PWM) signals, which regulate the thermal dynamics of SMA elements for precise motion control. The system is experimentally characterized using optical motion tracking and force sensing, with temporal and spectral analysis employed to quantify frequency-dependent displacement, dynamic response, and oscillatory characteristics. These analyses elucidate the relationship between thermal, kinematic, and harmonic performance of actuation, providing a detailed understanding of SMA-driven fin dynamics. The results demonstrate that integrating SMA actuators with flexible fins produces controlled, repeatable oscillatory motion with well-characterized dynamics. The study establishes a robust experimental and analytical framework linking actuation input, material properties, and kinematic response, providing a foundation for the design and optimization of SMA-actuated soft robotic underwater propulsion systems.

Questa tesi presenta uno studio completo sulla progettazione, la fabbricazione e l’attuazione di un sistema di pinne pettorali biomimetiche per la propulsione subacquea robotica morbida, utilizzando attuatori in lega a memoria di forma (SMA) come meccanismo di azionamento primario. Lo studio mira a caratterizzare quantitativamente il comportamento dinamico e cinematico di una struttura di pinna flessibile, evidenziando l’interazione tra cedevolezza strutturale, risposta termica e prestazioni dell’attuatore nella generazione di un movimento ondulatorio controllato. Il design della pinna presenta una struttura composita composta da una matrice siliconica flessibile con molle in SMA incorporate, fabbricate utilizzando tecniche di precisione basate su stampi per garantire una geometria riproducibile, una distribuzione controllata del materiale e proprietà elastiche costanti. La configurazione spaziale degli attuatori, inclusi la posizione e l’orientamento di ciascun elemento, è ottimizzata per massimizzare l’ampiezza della corsa, migliorare la gestione termica e garantire una trasmissione affidabile del movimento e delle forze. Le strategie di integrazione SMA sono progettate per preservare la fedeltà biomimetica, consentendo un movimento che replica fedelmente la locomozione naturale delle pinne pettorali. L’attuazione è implementata tramite segnali modulati in larghezza di impulso (PWM), che regolano la dinamica termica degli elementi SMA per un controllo preciso del movimento. Il sistema è caratterizzato sperimentalmente utilizzando il tracciamento ottico del movimento e il rilevamento della forza, con analisi temporale e spettrale impiegate per quantificare lo spostamento dipendente dalla frequenza, la risposta dinamica e le caratteristiche oscillatorie. Queste analisi chiariscono la relazione tra prestazioni termiche, cinematiche e armoniche dell’attuazione, fornendo una comprensione dettagliata della dinamica delle pinne azionate da SMA. I risultati dimostrano che l’integrazione di attuatori SMA con pinne flessibili produce un movimento oscillatorio controllato e ripetibile con dinamiche ben caratterizzate. Lo studio stabilisce un solido quadro sperimentale e analitico che collega l’input di attuazione, le proprietà dei materiali e la risposta cinematica, fornendo una base per la progettazione e l’ottimizzazione di sistemi di propulsione subacquea robotici morbidi azionati da SMA.