Design of a Bio-Inspired Morphing Fin for Enhanced Underwater Propulsion of AUVs: Prototype Development and Preliminary Evaluation

Abstract

Denne masteroppgaven utforsker utviklingen av en bio-inspirert morfende finne, modellert etter den første ryggfinnen til atlantisk tunfisk. Det overordnede målet med prosjektet er å forbedre manøvrerbarheten og fremdriftseffektiviteten til undervannsfartøyer (UVs). Oppgaven fokuserer primært på bruk av Shape Memory Alloy (SMA), spesielt Nitinol, som en aktuator for designet av den morfende finnen. Forskningen involverte modellering og montering av en finneprototype ved bruk av 3D-utskriftsteknologi, samt testing av SMA-tråder med spesielt fokus på den mekaniske oppførselen og energieffektiviteten til tråder med ulike lengder og diametere. De eksperimentelle resultatene fremhever utfordringene ved bruk av SMA, som montering og tøyning. Den foreslåtte morfemekanismen med SMA som aktuator fungerte ikke, og trenger videre arbeid. Flere utfordringer knyttet til finnen blir adressert, inkludert finnekonfigurasjon, materialvalg og aktuatoroppsett. Videre arbeid med finneprototypen og SMA anbefales for å optimalisere finnenes design og aktuator-mekanismer.

This master thesis explores the development of a bio-inspired morphing fin, modeled after the first dorsal fin of the Atlantic tuna. The ultimate goal of the project is to enhance the maneuverability and propulsion efficiency of underwater vehicles (UVs). The thesis primarily focuses on the use of Shape Memory Alloys (SMA), specifically Nitinol, as an actuator for the morphing fin design. The research involved modeling and assembling a fin prototype using 3D printing technology and testing SMA wires with a particular emphasis on the mechanical behavior and energy efficiency of various lengths and diameters of wire. The experimental results highlight the challenges of using SMA, such as mounting and strain. In the end the morphing mechanism using SMA as an actuator suggested in the thesis did not work. Several challenges with the fin are addressed, including fin configuration, material choices and actuation configuration. Further work on the fin prototype and SMA is recommended to optimize the fin's design and actuation mechanisms.