4D printed electrothermal actuator devices for possible applications in soft robotics
| dc.contributor.advisor | Tzounis, Lazaros | en |
| dc.contributor.advisor | Τζούνης, Λάζαρος | el |
| dc.contributor.author | Zangkiali, Mario | en |
| dc.contributor.author | Ζανγκιάλι, Μάριο | el |
| dc.date.accessioned | 2026-03-13T10:49:04Z | |
| dc.date.available | 2026-03-13T10:49:04Z | |
| dc.date.issued | 2026-03-13 | |
| dc.description.abstract | Recent advancements in robotic technology have increasingly facilitated the development of systems where robots and humans can work collaboratively in shared environments, sometimes even involving direct physical contact. This shift is driven by the need for robots to assist humans across various industries, including manufacturing and healthcare, where safety, adaptability, and flexibility are crucial. A significant innovation in this context is soft robotics, a rapidly growing field that focuses on robots built from compliant, deformable materials rather than rigid structures. These materials enable soft robots to exhibit intrinsic safety features, such as reduced risk of injury during contact, making them ideal for interacting safely with humans, particularly in unpredictable or dynamic environments. Unlike traditional rigid robots, soft robots can adapt their shape and function to complex, unstructured tasks, making them well-suited for applications in fields like medical devices, wearable technologies, and search-and-rescue operations. Soft robotics also draws inspiration from biological systems, leveraging biomimetic design principles to create robots that can mimic the behavior and movements of living organisms. This approach is complemented by the development of novel sensors and actuation mechanisms that enable precise and responsive control in uncertain environments. Furthermore, cutting-edge manufacturing techniques, such as 3D printing or 4D printing, additive manufacturing, and advanced material synthesis, play a crucial role in enabling the fabrication of complex soft robotic structures. Overall, soft robotics represents a transformative approach in the field of robotics, promising safer, more versatile, and adaptive robotic systems that can work seamlessly alongside humans in a wide range of applications. This diploma describes the development and comparative evaluation of two types of 4D-printed electrothermal actuator (ETA) systems designed for applications in soft robotics. The first system involves the creation of a two-layer, U-shaped ETA device resembling a bimetallic strip. 3D printing was employed using acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and conductive thermoplastic polyurethane (cTPU), two thermoplastics with significantly different thermal expansion coefficients, commonly used in fused filament fabrication (FFF). Given the relatively high electrical resistance of the cTPU in its printed form, a microporous gyroid structure of cTPU was designed to serve as a framework for integrating single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), using a commercially available direct-ink-writing (DIW) dispenser printer. The resulting ABS/cTPU/SWCNT composite structures significantly enhanced the electrical performance of the cTPU-only layer, reducing internal electrical resistance from approximately 9 kΩ to around 20 Ω. This improvement enabled actuation at notably lower input voltages (Vbias). The final U-shaped bimetallic ETA devices were assembled into a functional three-finger soft mechanical gripper, demonstrating considerable promise in the field of soft robotics due to their high curvature and fast response. The second system, newly introduced in this work, is a simpler bilayer configuration based on polytetrafluoroethylene (PTFE) and thermoplastic polyurethane (TPU), which leverages the thermal expansion mismatch to induce actuation under Joule heating. A total of nine PTFE/TPU devices were fabricated with varying thicknesses (PTFE: 0.4–0.6 mm, TPU: 0.6–2.0 mm) and applied resistances ranging from 1.31 Ω to 9.30 Ω. Thermal and mechanical characterizations, along with displacement-time curve analyses and comparisons with benchmarks from the literature, revealed that while the SWCNT-based actuators outperform in speed and curvature, the PTFE/TPU devices offer a scalable, cost-effective alternative with competitive thermal performance, particularly in low-resistance configurations. The study highlights the complementary nature of these two ETA approaches, underscoring modularity, design flexibility, and the potential of hybrid strategies in advancing soft robotic actuation. | en |
| dc.description.abstract | Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία της ρομποτικής έχουν διευκολύνει σημαντικά την ανάπτυξη συστημάτων όπου άνθρωποι και ρομπότ μπορούν να συνεργάζονται σε κοινά περιβάλλοντα εργασίας, μερικές φορές ακόμη και με άμεση φυσική επαφή. Αυτή η μετάβαση καθοδηγείται από την ανάγκη για ρομπότ που να υποστηρίζουν τον άνθρωπο σε διάφορους τομείς, όπως η βιομηχανία και η υγειονομική περίθαλψη, όπου η ασφάλεια, η προσαρμοστικότητα και η ευελιξία είναι ζωτικής σημασίας. Μια σημαντική καινοτομία σε αυτό το πλαίσιο αποτελεί η μαλακή ρομποτική (soft robotics), ένας ταχύτατα αναπτυσσόμενος τομέας που εστιάζει στη δημιουργία ρομπότ από εύκαμπτα και παραμορφώσιμα υλικά αντί για άκαμπτες δομές. Τα υλικά αυτά προσδίδουν στα ρομπότ ενδογενή χαρακτηριστικά ασφάλειας, όπως η μειωμένη πιθανότητα τραυματισμού κατά την επαφή, καθιστώντας τα ιδανικά για ασφαλή αλληλεπίδραση με τον άνθρωπο, ιδίως σε απρόβλεπτα ή δυναμικά περιβάλλοντα. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά άκαμπτα ρομπότ, τα μαλακά ρομπότ μπορούν να προσαρμόζουν το σχήμα και τη λειτουργία τους σε πολύπλοκα, μη δομημένα καθήκοντα, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για εφαρμογές όπως ιατρικές συσκευές, φορητές τεχνολογίες και επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης. Η μαλακή ρομποτική αντλεί επίσης έμπνευση από τα βιολογικά συστήματα, αξιοποιώντας αρχές βιομιμητικής σχεδίασης για τη δημιουργία ρομπότ που μιμούνται τη συμπεριφορά και τις κινήσεις ζωντανών οργανισμών. Αυτή η προσέγγιση συμπληρώνεται από την ανάπτυξη καινοτόμων αισθητήρων και μηχανισμών ενεργοποίησης, οι οποίοι επιτρέπουν ακριβή και άμεσο έλεγχο σε περιβάλλοντα με αβεβαιότητα. Επιπλέον, προηγμένες τεχνικές κατασκευής, όπως η τρισδιάστατη (3D) ή τετραδιάστατη (4D) εκτύπωση, η προσθετική κατασκευή και η σύνθεση νέων υλικών, διαδραματίζουν καίριο ρόλο στην υλοποίηση σύνθετων μαλακών ρομποτικών δομών. Συνολικά, η μαλακή ρομποτική αντιπροσωπεύει μια μετασχηματιστική προσέγγιση στο πεδίο της ρομποτικής, υποσχόμενη ασφαλέστερα, πιο ευέλικτα και προσαρμοστικά ρομποτικά συστήματα, ικανά να συνεργάζονται απρόσκοπτα με τον άνθρωπο σε ποικίλες εφαρμογές. Η παρούσα διπλωματική εργασία περιγράφει την ανάπτυξη και συγκριτική αξιολόγηση δύο τύπων ηλεκτροθερμικών ενεργοποιητών (Electrothmal Actuators – ETAs), που κατασκευάστηκαν με τεχνολογία 4D εκτύπωσης και προορίζονται για εφαρμογές στη μαλακή ρομποτική. Το πρώτο σύστημα περιλαμβάνει τη δημιουργία ενός διπλοστρωματικού, καμπύλου ενεργοποιητή σε σχήμα U, παρόμοιο με μία διμεταλλική λωρίδα. Για την κατασκευή του χρησιμοποιήθηκε τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης με θερμοπλαστικά ABS και αγώγιμο θερμοπλαστικό πολυουρεθάνιο (cTPU), υλικά με σημαντικά διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής, συχνά χρησιμοποιούμενα στη μέθοδο Fused Filament Fabrication (FFF). Δεδομένης της σχετικά υψηλής ηλεκτρικής αντίστασης του cTPU στην εκτυπωμένη του μορφή, σχεδιάστηκε μία μικροπορώδης δομή τύπου γυροειδούς πλέγματος από cTPU, η οποία εμπλουτίστηκε με νανοσωλήνες άνθρακα μονής στρώσης (Single-Walled Carbon Nanotubes – SWCNTs) χρησιμοποιώντας εκτυπωτή Direct-Ink Writing (DIW). Το προκύπτον σύνθετο υλικό ABS/cTPU/SWCNT παρουσίασε σημαντικά βελτιωμένη ηλεκτρική αγωγιμότητα, μειώνοντας την εσωτερική ηλεκτρική αντίσταση από περίπου 9 kΩ σε μόλις 20 Ω. Αυτή η βελτίωση επέτρεψε την επίτευξη ενεργοποίησης σε αισθητά χαμηλότερες τάσεις. Οι τελικές συσκευές ενεργοποιητών τύπου U συναρμολογήθηκαν σε έναν λειτουργικό, μαλακό μηχανικό δαγκάνα (gripper) με τρία δάχτυλα, επιδεικνύοντας υψηλή καμπυλότητα και ταχύτατη απόκριση, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα υποσχόμενες για εφαρμογές μαλακής ρομποτικής. Το δεύτερο σύστημα, το οποίο παρουσιάζεται για πρώτη φορά στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, αφορά μια απλούστερη διπλοστρωματική διάταξη από πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE) και θερμοπλαστική πολυουρεθάνη (TPU), η οποία βασίζεται στη διαφορά θερμικής διαστολής των δύο υλικών για την πρόκληση κάμψης μέσω θέρμανσης Joule. Κατασκευάστηκαν συνολικά εννέα ενεργοποιητές PTFE/TPU με ποικίλες διαστάσεις (PTFE: 0,4–0,6 mm, TPU: 0,6–2,0 mm) και τιμές ηλεκτρικής αντίστασης από 1,31 Ω έως 9,30 Ω. Οι θερμικοί και μηχανικοί χαρακτηρισμοί, καθώς και η ανάλυση καμπυλότητας ως συνάρτηση του χρόνου, συγκρίθηκαν με αντίστοιχα δεδομένα της βιβλιογραφίας. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι, ενώ οι ενεργοποιητές με SWCNT υπερέχουν σε ταχύτητα και καμπυλότητα, οι διατάξεις PTFE/TPU προσφέρουν μια πιο απλή, οικονομική και επεκτάσιμη λύση με ανταγωνιστική θερμική απόδοση, ιδιαίτερα σε διαμορφώσεις χαμηλής αντίστασης. Η μελέτη αναδεικνύει τη συμπληρωματική φύση των δύο αυτών προσεγγίσεων, υπογραμμίζοντας τη σημασία της αρθρωτής σχεδίασης, της ευελιξίας και της δυνατότητας υβριδικών λύσεων στην εξέλιξη των ενεργοποιητών για εφαρμογές μαλακής ρομποτικής. | el |
| dc.identifier.uri | https://apothesis.hmu.gr/handle/123456789/11539 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.publisher | ΕΛΜΕΠΑ, Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών | |
| dc.subject | Four-dimensional (4D) printing | |
| dc.subject | Additive manufacturing | |
| dc.subject | Electrothermal actuator | |
| dc.subject | Soft robotics | |
| dc.subject | Τετραδιάστατη εκτύπωση | |
| dc.subject | Προσθετική κατασκευή | |
| dc.subject | Ηλεκτροθερμικός ενεργοποιητής | |
| dc.subject | Μαλακή ρομποτική | |
| dc.title | 4D printed electrothermal actuator devices for possible applications in soft robotics | en |
| dc.title | Τετραδιάστατα (4Δ) εκτυπωμένη ηλεκτροθερμικοί ενεργοποιητές για πιθανές εύκαμπτες ρομποτικές εφαρμογές | el |
| dc.type | Πτυχιακή Εργασία | |
| heal.academicPublisherID | ΕΛΜΕΠΑ Ελληνικό Μεσογειακό Πανεπιστήμιο |
Αρχεία
Πρωτότυπος φάκελος/πακέτο
1 - 1 of 1
Φάκελος/Πακέτο αδειών
1 - 1 of 1
Δεν υπάρχει διαθέσιμη μικρογραφία
- Ονομα:
- license.txt
- Μέγεθος:
- 2.17 KB
- Μορφότυπο:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Περιγραφή: