• Sensore soft
• PMA
• McKibben
• ElectroLycra
• Smart sensors

Gli attuatori, in un qualsiasi sistema, sono dispositivi responsabili della conversione di energia di un certo tipo in movimento meccanico che interagisce con l’ambiente esterno. In ambito biologico, la complessità dei meccanismi di attuazione ha precluso per lungo tempo la loro emulazione, ma il progressivo avanzamento della meccatronica e della robotica e le loro implicite richieste di sicurezza nell' interazione con gli esseri viventi, in particolare con l’uomo, sono confluiti nello sviluppo degli attuatori di tipo ”soft” - termine che vuole indicare l’ elevata compliance sia fisica che funzionale tra i dispositivi che producono il moto e l’ambiente. Non sorprende, quindi, che negli ultimi decenni siano stati proposti diversi modelli di muscoli artificiali, ossia attuatori che simulassero il comportamento dei muscoli naturali, spesso al fine di sostituire o integrare la loro azione all'interno di compartimenti biologici danneggiati. Tra i vari prototipi ha suscitato forte interesse, per semplicità di struttura e per elevata capacità biomimetica, la classe dei muscoli artificiali pneumatici (PAMs), in particolare i muscoli di McKibben, dispositivi che possono contrarsi lungo la loro lunghezza esattamente come i muscoli biologici. Nella fattispecie, l’attuatore di tipo McKibben è un dispositivo pneumatico costituito da una membrana cilindrica flessibile circondata da una rete di fibre inestensibili che ne contengono l’espansione: se la membrana viene gonfiata, essa si espande radialmente e si contrae assialmente; se viene invece sgonfiata, riduce la sua sezione e aumenta la sua lunghezza assiale. Le principali caratteristiche di questi dispositivi - flessibilità, leggerezza ed elevato rapporto forza-peso soddisfano adeguatamente le specifiche di elevata compliance richieste dalla robotica ”soft”. A testimonianza di ciò, negli ultimi anni, si registrano numerosi studi negli ambiti della riabilitazione, del supporto alla mobilità e della ricerca protesica.
Ma nonostante i loro molteplici vantaggi, la complessa meccanica dei materiali degli attuatori di tipo McKibben complica la modellizzazione dei sistemi all'interno dei quali sono inseriti, rendendo spesso necessario l’utilizzo di sensori di posizione esterni per il controllo retroattivo. La difficoltà nell'applicazione di sensori integrati all'attuatore è da ricercare nell’incompatibilità tra le peculiari caratteristiche soprammenzionate, che rendono l’attuatore ”soft”, e i limiti dei sensori di posizione convenzionali (potenziometri, encoder ottici, sensori magnetici, etc.) troppo rigidi, pesanti e ingombranti.Ne consegue un crescente interesse scientifico nello sviluppo di sensori integrati agli attuatori di tipo McKibben al fine di produrre dispositivi soft più semplici da controllare. L’obbiettivo del presente lavoro è quello di studiare, caratterizzare e sviluppare un sensore flessibile ed economico che possa essere applicato ad un attuatore di tipo McKibben senza inficiarne il range di deformazione e il moto. A tal fine, soluzioni basate sull'utilizzo di ”Smart Textiles” possono fornire una valida alternativa alla sensoristica tradizionale, contrapponendo a quest’ultima caratteristiche quali basso costo, leggerezza, flessibilità e adattamento strutturale. Gli ”Smart Textiles” sono tessuti trattati, attraverso modifiche intrinseche o estrinseche, per rispondere a stimoli meccanici, termici, chimici, magnetici od elettrici. Nello specifico, il presente studio propone l’ utilizzo di un sensore di deformazione flessibile, basato sui tessuti conduttivi, capace di determinare la posizione dell’attuatore senza limitare le sue proprietà. La tesi si apre con la descrizione dello stato dell’arte dei Muscoli Pneumatici Artificiali, (prestando particolare attenzione al meccanismo di funzionamento dell’attuatore di tipo McKibben, al suo design, alla produzione ed ai modelli matematici) e dei sensori distinguendoli prima in base al principio generale di funzionamento ed offrendo, infine una panoramica sugli ”Smart Fabric Sensors”, dai quali la presente tesi attinge per avanzare la sua proposta. Successivamente si analizzano le caratteristiche del tessuto selezionato - che prende il nome di ElettroLycra- e se ne isolano le peculiarità. Si procede quindi, dopo una descrizione degli strumenti e dei software utilizzati, alla sua caratterizzazione elettromeccanica con l’obiettivo di ricavare una relazione matematica che permetta di correlare la variazione di resistenza elettrica alla deformazione meccanica. Infine si analizza l'integrazione tra sensore ed attuatore finalizzata a validare le performance del tessuto come sensore ed il suo utilizzo nelle modalità indicate.