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Riassunto
Il presente lavoro di tesi ha avuto come scopo la realizzazione di un modello matematico generale di una particolare guaina a fili polimerici che ne caratterizzasse il comportamento in funzione delle forze applicate, per una futura progettazione e sviluppo di un sistema endoscopico con tecnologia soft robotics, basato su leghe a memoria di forma (SMA).
Lo studio è partito analizzando le soluzioni realizzate nell’ambito di una ricerca condotta dall’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, finalizzata allo studio del polpo comune per realizzare robot costituiti da materiali soft. La realizzazione del modello, verificato sperimentalmente, rappresenta un primo passo essenziale alla creazione di un robot senza strutture rigide e con elevate caratteristiche di flessibilità, deformabilità e adattabilità all’ambiente circostante, che lo rendono estremamente vantaggioso sia dal punto di vista del medico, che riuscirebbe a eseguire un’analisi semplice e in modo accurato, che del paziente, che otterrebbe un’analisi senza particolari rischi di perforazione e stiramento dell’intestino, evitandogli molte delle sofferenze che quest’analisi genera. Qualità importanti che distinguerebbero questo robot, in via di sviluppo, dagli altri robot endoscopici sarebbero la sua capacità di allungarsi, accorciarsi e piegarsi in modo locale con una combinazione di queste abilità per generare complesse azioni e molteplici movimenti. Questa struttura a fili polimerici intrecciati avrà il doppio ruolo di supporto degli attuatori e di trasmissione delle forze sviluppate dagli attuatori stessi.
La produzione in laboratorio della struttura di supporto a fili polimerici è stata realizzata a partire da una struttura a fibre intrecciate, utilizzando un processo di riscaldamento ad elevate temperature che si basa sull’uso di un termo-soffiatore e di un cilindro metallico, seguito da un processo di raffreddamento. Variando la dimensione del cilindro è stato possibile creare tre tipologie di guaine. Si è quindi proceduto allo studio analitico e geometrico della struttura per sviluppare delle particolari equazioni costitutive, che permettessero di realizzare un modello matematico generale che simulasse il comportamento, in funzione delle forze applicate. Quello che si è modellato sono le capacità di allungamento e accorciamento dell’intero sistema, che si presentano dopo l’impiego di una o più forze in direzione perpendicolare alla direzione di deformazione.
Successivamente, si è cercato di creare il modello ipotizzato mediante un programma di calcolo, MATLAB. Le tre tipologie di guaine cilindriche, differenti per quanto riguarda il diametro, sono state sottoposte a prove di tipo sperimentale per la determinazione dei parametri indispensabili al modello che consistono in tre fasi distinte.
La prima fase di marcatura, eseguita mediante un marker di colore rosso scuro, ha permesso di differenziare le unità elementari della struttura prese come principali nel modello.
La seconda ha previsto di trazionare la guaina a forze crescenti e di fotografarla a determinati istanti di tempo per fissarne la deformazione. Questa seconda fase è stata eseguita mediante un dinamometro Instron, azionato tramite i comandi presenti sul dispositivo e una macchina fotografica bloccata su un cavalletto. L’uso della macchina di trazione e compressione ha comportato un ulteriore step di analisi, che riguarda la forza che la cella di carico genera sulla guaina, infatti questa forza, a causa del cappio formato dal filo che avvolge centralmente la guaina per la trazione, è doppia rispetto a quella imposta.
La terza fase ha riguardato la determinazione della deformazione di tutte le unità elementari della guaina, evidenziate nella prima fase, tramite un calcolatore, con uno specifico programma di appoggio (Gimp 2). Questo software ha permesso di visualizzare le foto sullo schermo e di elaborare le immagini, determinando inoltre i parametri del modello in termini di angolo e lato di cella che sono stati immessi nel modello in Matlab. In seguito, per riuscire a determinare gli ultimi due parametri (costante elastica molla torsionale k_r e costante elastica molla longitudinale k_l) e rendere il modello realistico, si è proceduto alla loro variazione mediante software, fino a quando i grafici sperimentali, creati nella terza fase, non fossero equiparabili con quelli teorici ricavati dal modello.
I risultati ottenuti, hanno portato alla conclusione che il parametro k_r è in buona approssimazione lineare quando la deformazione riguarda tutte le celle della guaina e in quel caso è possibile trovare un valore di kl che rimanga costante. Da questa considerazione si può dedurre che il parametro kl influenza principalmente la rigidezza delle celle di guaina più esterne; maggiore è il suo valore e minore è la deformazione delle celle più esterne. La rigidezza della guaina diminuisce all’aumentare dell’angolo di cella, infatti si riduce la sua capacità di opporsi alla deformazione elastica provocata da una forza. Inoltre a guaine con diametro più grandi possono essere applicate forze massime maggiori, prima che avvenga un’alterazione della struttura stessa, rispetto alle guaine con diametro più piccolo.
Dai risultati ottenuti, si può affermare che il modello creato permette la progettazione di una particolare struttura soft, infatti inserendo nel modello alcuni parametri che la identificano è possibile sapere come questa si allungherà o accorcerà.