The octopus robot: from biological principles to a soft robotic system for coordinated multi-arm underwater grasping

Exploration and manipulation in harsh, unstructured underwater environments represent a significant challenge for traditional rigid grippers. These scenarios frequently require grasping of complex-shaped objects and dexterous manipulation of delicate species, areas in which Bio-inspired Soft Robotics offers a promising alternative, leveraging natural biological principles and intrinsic material compliance to ensure high adaptability and safe physical interactions. Among marine organisms, the octopus serves as an exceptional biological model for advanced underwater grasping; however, existing literature primarily focuses on the optimization of single-arm systems. Starting from the single arm design developed at the Italian Institute of Technology, this work introduces a novel multi-arm architecture. This transition is motivated by the need to explore cooperative manipulation strategies and more complex interaction scenarios, that exceed the functional limits of a single manipulator. The design process began with a biological investigation in Acquario di Genova, where new manipulation strategies were observed and characterized. Based on these observations, a soft robotic gripper integrating three distinct arms was developed, featuring passive suckers and tendon-driven actuation, with two different, tailored tendon configurations. The project involved a comprehensive development process, spanning from the initial mechanical design, its fabrication and the implementation of dedicated control strategies. An extensive experimental validation was conducted in both air and water, to assess the effectiveness of the bio-inspired strategies. The results demonstrate that the multi-arm configuration significantly enhances payload capacity, showing an improvement of over 400% compared to single-arm systems, justifying the increased system complexity. It also exhibits superior performance in underwater environments, confirming it as the ideal operating medium, with a 34.3% increase in payload capacity with respect to dry conditions. These findings show the potential of cooperative octopus-inspired soft arms for advanced, safe, and effective real-world marine applications.

L’esplorazione e la manipolazione in ambienti sottomarini ostili e non strutturati rappresentano una sfida significativa per i rigidi gripper tradizionali. Tali scenari richiedono la presa di oggetti dalla geometria complessa e la manipolazione di specie fragili, ambiti nei quali la robotica soffice bio-ispirata offre un’alternativa promettente, sfruttando principi biologici naturali e la deformabilità intrinseca dei materiali per garantire elevata adattabilità e interazioni fisiche sicure. Tra gli organismi marini, il polpo costituisce un modello biologico eccezionale per la manipolazione sottomarina; tuttavia, la letteratura esistente si concentra sull’ottimizzazione di sistemi a singolo braccio. Partendo dal design del singolo braccio sviluppato presso l’Istituto Italiano di Tecnologia, questo lavoro introduce un’architettura multi-braccio. Tale transizione è motivata dalla necessità di esplorare strategie di manipolazione cooperativa e scenari di interazione più complessi, che superano i limiti funzionali di un manipolatore singolo. Il processo di progettazione è iniziato con un’indagine biologica condotta presso l’Acquario di Genova, dove nuove strategie di manipolazione sono state osservate e caratterizzate. Sulla base di tali osservazioni è stato sviluppato un gripper robotico soffice composto da tre bracci, dotati di ventose passive e attuazione a tendini. Il progetto ha previsto uno sviluppo completo, dalla progettazione meccanica iniziale alla fabbricazione e all’implementazione di strategie di controllo. Un’estesa validazione sperimentale è stata condotta in aria e in acqua per valutare l’efficacia delle strategie bio-ispirate. I risultati dimostrano che questa configurazione incrementa significativamente la capacità di carico, con un miglioramento superiore al 400% rispetto ai sistemi a singolo braccio, giustificando la maggiore complessità del sistema. Inoltre, il sistema mostra prestazioni superiori in ambiente acquatico, con un aumento della capacità di carico del 34,3% rispetto alle condizioni in aria. Tali risultati mostrano il potenziale di bracci soffici cooperativi ispirati al polpo per applicazioni marine reali, sicure ed efficaci.