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Il presente lavoro di tesi si propone di realizzare un braccio robotico interamente soft attraverso l'utilizzo dei polimeri elettroattivi e si colloca all'interno del progetto bioispirato "Octopus" coordinato dall'Istituto di BioRobotica. In tale progetto, i metodi della biologia e della bioingegneria sono sfruttati per studiare, misurare e modellizzare le prestazioni del polpo, al fine di individuare le specifiche per la progettazione robotica. La robotica bio-ispirata, infatti, utilizza le soluzioni adottate dalla natura per problemi biologici nell'ambito della ricerca scientifica e col contributo della collaborazione tra biologia e ingegneria può giungere a nuove scoperte tecnologiche.
Ispirandoci alla natura, quindi, possiamo costruire dei robot simili agli animali che operano in ambienti difficili o normalmente impraticabili, ma allo stesso tempo dei robot biomimetici che danno la possibilità ai biologi di studiare le funzioni e i comportamenti animali con il modello fisico.
I classici bracci robotici sono composti da link rigidi e hanno un numero limitato di gradi di libertà (DOF); questi robot possono eseguire con successo una varietà di compiti nei processi di automazione industriale. In ambienti in cui vi è la necessità di dispositivi altamente abili e morbidi ma affidabili e sicuri, i robot con una struttura rigida smettono di soddisfare queste esigenze. Questo ha portato allo sviluppo di robot continui, che in genere hanno un gran numero di DOF. Il progetto di tesi si bioispira alle soluzioni ottimali che l'octopus vulgaris utilizza e alla sua perfetta integrazione tra la struttura meccanica e il controllo; per questo si intende il mollusco come il paradigma dell'embodied intelligence: il manifestarsi di comportamenti intelligenti in animali inferiori dal punto di vista evoluzionistico è attribuibile alla struttura fisica e alle loro peculiarità neuro-motorie e sensoriali.
L'octopus possiede quattro paia di tentacoli che sporgono dalla testa e circondano la bocca. Ogni tentacolo è dotato di una doppia fila di ventose ed è formato esclusivamente da tessuto muscolare, nervoso, connettivo ed epiteliare, ed è il tessuto muscolare stesso che, oltre a generare forze attraverso la contrazione delle fibre e a contribuire al movimento, fornisce anche il supporto scheletrico richiesto. Questo tipo di sistema di supporto scheletrico è definito un "hydrostat muscolare".
Esistono tre specie di Octopus che sono differenti per le proporzioni del tentacolo, ma la disposizione dei tessuti connettivo e muscolare è notevolmente simile: l'asse centrale è occupato dal cordone nervoso assiale, che è circondato da tre principali gruppi di muscoli: trasversali, longitudinali e obliqui. La struttura anatomica è di fondamentale importanza per capire come il polpo riesca a compiere tutta una serie di movimenti anche in mancanza di un supporto rigido; la disposizione dei fasci muscolari è finalizzata all’ottimizzazione dei movimenti possibili, ma l’elemento fondamentale, che permette ad una struttura così fatta di emulare, e per certi versi superare, le azioni usualmente eseguite dai vertebrati, risiede nell’incomprimibilità di tali muscoli.
I movimenti prodotti da hydrostat muscolare sono allungamento, accorciamento, flessione e torsione. L'allungamento del corpo si verifica se il diametro diminuisce a causa della contrazione dei muscoli trasversali; mentre, l'accorciamento del tentacolo avviene a seguito della contrazione muscolare longitudinale che produce aumento del diametro e riduzione di lunghezza. Il movimento di bending è prodotto dalla contrazione della muscolatura longitudinale appartenente ad un lato del corpo ed ha una maggiore intensità se le fibre sono disposte perifericamente.
La scelta di utilizzare gli attuatori polimero elettroattivi (EAP) per realizzare le fibre muscolari del tentacolo è dovuta alla loro peculiarità di essere materiali elettricamente reattivi che hanno diverse caratteristiche in comune con i muscoli naturali. Infatti, essi sono stati studiati come 'muscoli artificiali' per varie applicazioni che miravano a riprodurre il movimento biomimetico. Elevata cedevolezza, leggerezza, buona lavorabilità e di solito basso costo sono proprietà spesso considerate vantaggiose per l'uso di tali materiali in task di attuazione. In particolare, gli attuatori a base di polimeri elettroattivi (EAP) offrono prestazioni interessanti in campi di applicazione, come la robotica, ingegneria biomedica, automobilistico, aerospaziale, ecc.
I materiali EAP vengono comunemente classificati in due grandi famiglie: EAP ionici (wet), azionati dal movimento elettro-indotto di ioni e/o solvente, e EAP elettronici (dry), attivati da forze elettrostatiche. Sebbene i materiali EAP e le loro proprietà sono note da molti decenni, hanno trovato applicazioni molto limitate. Fortunatamente tale tendenza è cambiata recentemente.
I materiali EAP Wet includono: compositi di polimeri ionici e metallo (IPMC), polimeri conduttori (CP), gel polimerici e nanotubi di carbonio (CNT). Essi richiedono tensioni di attuazione di 1-2 volt, ma correnti elevate. Tuttavia, necessitano di un ambiente umido, sviluppano forze più piccole dei polimeri dry e producono il movimento di bending. EAP ionici operano in un mezzo elettrolita liquido, quindi sono particolarmente adatti per essere utilizzati in ambienti biologici.
Al contrario, polimeri dry includono: polimeri elettrostrittivi e piezoelettrici, elastomeri dielettrici (DE), elastomeri cristalli liquidi (LCE) e aerogel di nanotubi di carbonio. Essi richiedono alta tensione di attivazione (> 100-V/mm), ma basse correnti. Inoltre, questi materiali hanno una maggiore densità di energia meccanica. Essi, in generale, producono grandi forze (fino a 300MPa), movimenti assiali e operano con maggiore efficienza di conversione dell'energia elettrica in lavoro meccanico. Alla luce di queste considerazioni e dopo aver minuziosamente analizzato le proprietà delle varie classi di polimeri e individuato le loro principali applicazioni in letteratura, si è concluso che gli EAP dry sono maggiormente adatti per le applicazioni robotiche.
La principale caratteristica che ha portato a prediligere gli elastomeri dielettrici è che mantengono il volume costante se attuati, quindi si prestano maggiormente per simulare il comportamento del muscolo del polpo: la contrazione, vale a dire l’accorciamento di un fascio muscolare in una determinata direzione è sempre accompagnato da una espansione nelle altre due.
Da uno studio approfondito sullo stato dell’arte degli attuatori DE, sono emerse principalmente quattro configurazioni: multi-layer stack, helical shaped, hydrostatic couple e folded. Le prime due hanno degli inconvenienti dal punto di vista costruttivo difficilmente superabili con le risorse che avevo a disposizione, mentre la configurazione hydrostaic couple non si presta per la realizzazione di una geometria parallelepipedo in cui una dimensione è superiore alle altre. La configurazione folded, invece, è stata scelta perchè si realizza con una striscia di silicone continua, che quindi può essere fabbricata in una singola fase, evitando così la deposizione di singoli strati, come accade per il multi-layer stack; entrambe, comunque, hanno una struttura monolitica di elastomero compresa tra due strati di elettrodo compliante.
Figura 1. configurazione folded (a) stato di riposo (b) stato attivo
Sono stati selezionati tre materiali siliconici seguendo due criteri, quali le caratteristiche meccaniche in termini di shore e il costo del materiale: Sylgard 186 (Dow Corning), EcoFlex 00-30 (smooth-On) e TC 5005 ( BJB Enterprises). Per la scelta del materiale per lo stampo, sono state fatte delle valutazioni in termini di costo e di facilità di valutazione. Dal momento che l'attuatore deve avere un'altezza di circa 10 cm, è necessario che la striscia di silicone, e quindi lo stampo, sia lunga almeno un metro e abbia uno spessore inferiore al millimetro per evitare di dover applicare voltaggi elevati.
La composizione in termini percentuali della miscela fatta di silicone/carbon black per la stesura dell'elettrodo compliante è stata stabilita dopo aver analizzato al microscopio Hirox le superfici al fine di valutare l'omogeneità nello strato di elettrodo e l'assenza di grumi.
Al fine di calcolare il valore di breakdown sono stati fabbricati attuatori costituti da un singolo strato dello spessore di 1mm su cui è stato applicato un voltaggio a rampa da 0 a 20kV.
In seguito, i tre campioni di attuatori sono stati sottoposti a test elettromeccanici utilizzando il modulo di compressione della macchina Instron; tale modulo ha permesso di impostare la velocità con cui comprimere il campione partendo da un valore di stress iniziale. Le prove venivano ripetute applicando di volta in volta un valore di tensione crescente, fino ad arrivare alla rottura dell'attuatore.
Dai grafici sforzo-deformazione ottenuti sono stati ricavati i valori di stiffness. Sulla base del modello teorico, mi aspettavo che all'aumentare del voltaggio (V) applicato,
aumentasse la pressione (p) ortogonale all'elettrodo e quindi la rigidezza (stiffness, k) del materiale:
(E- campo elettrico, ε - costante dielettrica del materiale, d- spessore dello strato di silicone tra due elettrodi, F - forza applicata, δ - deformazione prodotta dalla forza)
Dato che la forza generata dall'attuatore ha lo stesso verso della barra in movimento dell'Instron su cui è collocata la cella di carico, se quest'ultima registra un valore di forza in diminuzione, vorrà dire che è aumentata la forza generata dal DE. Da ciò si deduce che le curve registrate con voltaggi elevati dovrebbero avere una pendenza più bassa.
I risultai dei vari test hanno confermato la necessità di applicare voltaggi intorno ai 12/13kV per registrare deformazioni intorno al 10% e che non tutti e tre i siliconi sono adatti per la costruzione di attuatori folded. Col solo silicone TC5005, infatti, si sono ottenute delle curve nettamente separate e con pendenza decrescente all'aumentare del voltaggio.