• attuatori
• microattuatori
• bifasici
• elettrofluidici
• applicazioni biomediche

Un dispositivo meccanico per uso biomedico necessita di attuatori
in grado di convertire potenza elettrica in ingresso in potenza
meccanica in uscita, rispettando vincoli quali: biocompatibilità,
efficienza, affidabilità. L'insieme delle possibili tipologie di
attuatori richiesti in Ingegneria Biomedica è troppo ampio per
essere preso in considerazione "in toto". Per questa ragione,
il presente lavoro di tesi avrà come target di applicazione il
settore dell'Endoscopia e della Chirurgia Minimamente Invasiva.
Questi due settori, infatti, sono oggetto di notevole interesse
dal momento che mirano a potenziare l'abilità diagnostica e
terapeutica del medico riducendo, al tempo stesso, i disagi
sopportati dal paziente.

Il trend attuale è orientato alla progressiva miniaturizzazione
dei dispositivi biomedici e al contemporaneo incremento delle
funzionalità degli strumenti. Quest'ultimo aspetto pone delle
sfide tecnologiche significative, dal momento che richiede la
messa a punto di sensori e attuatori integrati in dispositivi
biomeccatronici miniaturizzati, in grado di offrire affidabilità,
sicurezza e bassi consumi energetici.

L'ovvia idea di miniaturizzare dispositivi tradizionali -sensori
ed attuatori- non è sempre percorribile, per via delle leggi di
scala delle forze fisiche, e sicuramente, ove lo sia, non è
necessariamente l'approccio ottimale. Viceversa, principi di
attuazione e sensing, inefficaci su scale macro, possono diventare
molto efficaci quando vengano implementate in dispositivi
miniaturizzati.

Partendo da questi presupposti, lo scopo della presente tesi è
quello di studiare, teoricamente e sperimentalmente, moduli di
attuazione miniaturizzati per applicazioni biomediche, con
riferimento particolare al settore dell'endocopia e della
chirurgia minimamente invasiva. In particolare, si vuole valutare,
per via teorica e sperimentale, in quale misura l'attuazione
elettrochimica, lenta ed inefficace su scale ordinarie (ovvero
dell'ordine delle decine di centimetri) possa rappresentare un
possibile sistema per realizzare attuatori biomedici
miniaturizzati.

E' noto dalla Letteratura che gli attuatori, in cui l'energia
elettrica genera una nuova fase all'interno di un fluido per via
termica od elettrochimica, raggiungono buoni valori di strain e
stress. Tuttavia, esistono fenomeni che limitano i tempi di
risposta. In aggiunta, la generazione di una seconda fase fluida
-tipicamente gassosa- in seno al liquido, produce la
pressurizzazione della camera di contenimento e la sua conseguente
deformazione. E' ovvio che le prestazioni dell'attuatore sono
fortemente influenzate dalla geometria della camera espandibile e
dalla scelta dei materiali. Infatti, un'eccessiva cedevolezza
della camera, positiva dal punto di vista degli spostamenti in
uscita, può ridurre, in modo indesiderato, la rigidezza
dell'attuatore.

Scopo della tesi è di disegnare un attuatore elettrofuidico
ottimizzato in termini degli spostamenti desiderati, partendo
dall'analisi dei meccanismi elettrochimici rilevanti.

Lo studio teorico, in cui si terrà anche conto delle leggi di scalatura più significative,
ovvero di come cambiano le prestazioni tipiche dell'attuatore
riducendo la sua dimensione caratteristica, sarà seguito dalla
realizzazione di un prototipo, con lo scopo di validare
sperimentalmente i modelli seguiti nel corso della progettazione.

Il modulo di attuazione avrà un ingombro massimo di 20x20x20
[mm^3], sarà in grado di fornire una rotazione in uscita di 30°
con un assorbimento di corrente inferiore a 30 [mW]. La rigidezza
dell'attuatore, nella configurazione di massima deflessione, dovrà
essere non inferiore a 10^{-4} [Nm/rad]. I materiali
impiegati dovranno essere compatibili con le specifiche per
endoscopia.