Mechanics of functional materials for soft robotics

Soft robotics is an emerging field that explores the development of robotic structures made of flexible and stretchable materials. The need to build robots with soft materials derives from the limitations of traditional robots in applications in which safety, compliance, and adaptation to unstructured environments are crucial requirements. Although softness allows for dexterity and safety, stiffening is required to exert high forces when necessary. Therefore, developing a robotic system in which the stiffness can be controlled and varied on demand is essential in several applications and represents a significant challenge for the field. Among the various strategies explored by researchers, layer jamming systems represent a promising solution. These systems are composed of flexible layers that transition from a rigid to a soft state when external forces such as shear or compression act on them. Despite the increasing interest, the underlying mechanics that govern the behavior of these systems is not fully understood. The existing analytical models are not able to describe their behavior beyond the initial deformation phase. The first part of the thesis aimed to fill this gap by describing the intrinsic mechanics that govern the behavior of layer jamming structures. To achieve this, an analytical model is presented for the first time to predict how the change in bending stiffness is related to the slip between layers. The model is able to capture the nonlinear behavior, beyond the initial elastic deformation phase, with a piecewise linear approximation between subsequent slips. In particular, the model predicts that slip starts at the innermost interface and then progressively propagates toward the outer interfaces resulting in a gradual decrease in stiffness. The predictions of the model were then validated with experiments and finite element simulations, showing that the model is able to predict with great accuracy the effect of the main design parameters, including the number of layers, vacuum pressure and coefficient of friction as well as the energy dissipated by friction during a load-unload cycle. The outcomes of the model not only represent a significant step forward in understanding the complex intrinsic mechanics of these structures but could help researchers to design more advanced variable stiffness applications in soft robotics. With the aim of integrating these systems into a useful real-world application, the second part of the thesis investigates the role of stiffness in zipping performance of electroadhesion-based soft grippers. Zipping refers to the physical phenomenon in which gripper’s soft fingers spontaneously conform to the shape of the objects when a sufficiently high voltage is applied. An analytical model has been developed to describe this behavior. The model describes how the ability to conform to the objects is influenced by the interplay between electrical and mechanical aspects. A set of experiments on objects with different materials and geometries have been performed to validate the model outcomes. It has been discovered that the phenomenon is governed by two voltage thresholds: a first one below which no zipping occurs and a second one above which the soft fingers fully collapse on the objects. Between the two values, the wrapping angle increases with the applied voltage. Model results are in good agreement with experiments, even if some observed phenomena related to charge accumulation, that are neglected in the model, seem to have a great influence on the experiments.

La soft robotics è un campo emergente che esplora lo sviluppo di strutture robotiche realizzate con materiali flessibili ed estensibili. La necessità di costruire robot con materiali soft deriva dalle limitazioni dei robot tradizionali nelle applicazioni in cui la sicurezza, la flessibilità e l'adattabilità in ambienti non strutturati sono requisiti cruciali. Sebbene la morbidezza consenta destrezza e sicurezza, è necessario irrigidire per esercitare forze elevate. Pertanto, lo sviluppo di un sistema robotico in cui la rigidezza possa essere controllata e variata è essenziale in diverse applicazioni e rappresenta una sfida significativa per il settore. Tra le varie strategie esplorate dai ricercatori, i sistemi noti come “layer jamming” rappresentano una soluzione promettente. Questi sistemi sono composti da lamine flessibili capaci di variare rigidezza quando sottoposte a forze esterne come taglio o compressione. Nonostante l'interesse crescente, le leggi fisiche sottostanti che governano il comportamento di questi sistemi non sono completamente comprese. I modelli analitici esistenti non sono in grado di descrivere il loro comportamento oltre la fase iniziale di deformazione. La prima parte della tesi mira a colmare questa lacuna descrivendo le leggi che governano il comportamento di queste strutture. Per raggiungere questo obiettivo, viene presentato per la prima volta un modello analitico per prevedere come il cambiamento di rigidezza a flessione sia correlato allo scorrimento tra le lamine. Il modello è in grado di catturare il comportamento non lineare, oltre la fase iniziale di deformazione elastica, con un'approssimazione lineare a tratti tra strisciamenti successivi. In particolare, il modello prevede che lo strisciamento inizi all'interfaccia più interna e poi si propaghi progressivamente verso le interfacce esterne risultando in una diminuzione graduale della rigidezza. Le previsioni del modello sono poi state validate con esperimenti e simulazioni agli elementi finiti, mostrando che il modello è in grado di prevedere con grande precisione l'effetto dei principali parametri di progettazione, inclusi il numero di lamine, la pressione di vuoto e il coefficiente di attrito così come l'energia dissipata per attrito durante un ciclo di carico-scarico. I risultati del modello non solo rappresentano un significativo passo avanti nella comprensione del complesso fenomeno fisico alla base del comportamento di queste strutture, ma potrebbero aiutare i ricercatori a progettare applicazioni con rigidezza variabile più avanzate nella soft robotics. Con lo scopo di integrare questi sistemi in un'applicazione reale, la seconda parte della tesi indaga il ruolo della rigidezza sulla capacità di conformarsi agli oggetti da afferrare nei gripper soft basati sull'elettroadesione. La capacità di conformarsi si rifereisce al fenomeno fisico in cui le dita soft del gripper si conformano spontaneamente alla forma degli oggetti quando viene applicata una tensione sufficientemente alta. È stato sviluppato un modello analitico per descrivere questo comportamento. Il modello descrive come la capacità di conformarsi agli oggetti sia influenzata dall'interazione tra aspetti elettrici e meccanici. Sono stati eseguiti una serie di esperimenti su oggetti con materiali e geometrie differenti per convalidare i risultati del modello. È stato scoperto che il fenomeno è governato da due soglie di tensione: una prima soglia al di sotto della quale le dita non si conformano e una seconda al di sopra della quale le dita soft si adattano completamente alla forma degli oggetti. Tra i due valori, l'angolo di avvolgimento aumenta con la tensione applicata. I risultati del modello sono in buon accordo con gli esperimenti, anche se alcuni fenomeni osservati legati all'accumulo di carica, trascurati nel modello, sembrano avere una grande influenza sui risultati osservati negli esperimenti.