Design and characterization of a bioinspired mackerel robot

This thesis presents the comprehensive design, prototyping and experimental characterization of a novel, autonomous, bioinspired underwater vehicle modeled after the Atlantic Mackerel (Scomber scombrus). Chosen for its highly efficient carangiform swimming and natural schooling instincts, the mackerel serves as an ideal biological blueprint for developing a fast and agile platform suitable for future swarm collaboration. To replicate the fluid-structure interactions of carangiform swimming, the robotic prototype features a hybrid rigid-soft architecture driven by specific biological morphometrics (scaled by a volumetric factor of 1.4 for a total length of 385 mm). The body is divided into a 3D-printed rigid anterior hull (40% of the body length) housing the electronics and a highly flexible tail. The actuation system employs a wire-driven mechanism with a custom-designed integrated ratchet pulley and a single high-torque servomotor. This drives a 3D-printed TPU continuum skeleton embedded within a dual-stiffness silicone tail: EcoFlex 00-10 is used for the main active body, while a stiffer Dragon Skin 10 is applied to the caudal peduncle and high-aspect-ratio lunate fin to maximize momentum transfer. The onboard electronics features a Raspberry Pi Compute Module 5, a 9-axis IMU, dual MIPI CSI cameras and a high-resolution pressure sensor. Propulsive performance was evaluated through static thrust tests on a test bench equipped with a 6-axis load cell and a synchronized 60 FPS overhead camera for computer vision tracking. The kinematic and hydrodynamic responses were analysed across different test configurations, systematically varying servo amplitudes (15°, 30°, and 40°) and actuation frequencies (from 0.5 Hz up to 5.0 Hz) while monitoring real-time power consumption. Forces and kinematic data demonstrated that the hybrid tail successfully replicates the S-motion and mechanical phase lag characteristic of biological carangiform swimmers. The hydrodynamic response proved non-linear, with the system achieving a distinct resonant peak at an actuation frequency of 4.2 Hz, producing a maximum mean propulsive thrust of approximately 0.9 N.

Questa tesi presenta la progettazione, la prototipazione e la caratterizzazione sperimentale di un innovativo veicolo sottomarino autonomo e bioispirato, modellato sullo sgombro atlantico (Scomber scombrus). Scelto per il suo efficiente nuoto carangiforme e per i naturali istinti di aggregazione in banchi, lo sgombro funge da modello biologico ideale per lo sviluppo di una piattaforma veloce e agile, adatta alla futura collaborazione in sciame. Per replicare le interazioni fluido-struttura del nuoto carangiforme, il prototipo robotico presenta un'architettura ibrida rigido-morbida guidata da specifiche morfometrie biologiche (scalate di un fattore volumetrico di 1.4 per una lunghezza totale di 385 mm). Il corpo è diviso in uno scafo anteriore rigido stampato in 3D (40% della lunghezza del corpo) che ospita l'elettronica e in una coda flessibile. Il sistema di attuazione impiega un meccanismo azionato a cavi con una puleggia a cricchetto integrata progettata su misura e un singolo servomotore ad alta coppia. Questo aziona uno scheletro continuo in TPU stampato in 3D, incorporato all'interno di una coda in silicone a doppia rigidità: l'EcoFlex 00-10 è utilizzato per il corpo attivo principale, mentre un più rigido Dragon Skin 10 è applicato al peduncolo caudale e alla pinna lunata per massimizzare il trasferimento di quantità di moto. L'elettronica di bordo comprende un Raspberry Pi Compute Module 5, un'IMU a 9 assi, due telecamere e un sensore di pressione ad alta risoluzione. Le prestazioni propulsive sono state valutate attraverso test di spinta statica su un banco di prova equipaggiato con una cella di carico a 6 assi e una telecamera dall'alto (60 FPS) per il tracciamento tramite computer vision. Le risposte cinematiche e idrodinamiche sono state analizzate in diverse configurazioni di test, variando sistematicamente le ampiezze del servo (15°, 30° e 40°) e le frequenze di attuazione (da 0.5 Hz fino a 5.0 Hz) monitorando contestualmente il consumo di potenza in tempo reale. I dati relativi a forze e cinematica hanno dimostrato che la coda ibrida replica con successo il movimento a S e il ritardo di fase meccanico caratteristici dei nuotatori carangiformi biologici. La risposta idrodinamica si è rivelata non lineare, con il sistema che ha raggiunto un picco di risonanza a una frequenza di 4.2 Hz, producendo una spinta propulsiva media massima di circa 0.9 N.