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1. Introduzione
Questo lavoro di tesi si colloca all’interno del progetto Wireless Brain-Connect inteRfAce TO machineS (B-CRATOS). L’obiettivo è la progettazione e l’integrazione meccanica della pelle artificiale nell’indice della mano protesica Mia Hand. La pelle artificiale progettata è costituita da un primo strato contenente gli alloggiamenti per le celle di idrogel, i quali funzionano da trasduttori nanogeneratori triboelettrici (TENG), e da un secondo strato che funge da copertura. Il TENG è un dispositivo in grado di trasdurre l’energia meccanica in energia elettrica, sfruttando l’effetto triboelettrico.
2. Materiali e metodologia
Prima di procedere con la progettazione della pelle, è stato condotto uno studio atto a determinare le aree di contatto che si ottengono nell’indice durante lo svolgimento di prese con diversi oggetti. In seguito, sono state eseguite le fasi di progettazione e fabbricazione della pelle artificiale e, infine, una fase di testing.
Per assicurare il corretto funzionamento delle celle di idrogel, è stato necessario osservare dei requisiti tecnici, forniti dall’Università di Uppsala, che riguardano lo spessore dei due strati e la dimensione e il posizionamento relativo fra le celle di idrogel.
2.1. Materiali pelle artificiale
I materiali considerati per la pelle artificiale sono stati Dragon skinTM 30 (DS30) e Smooth-SilTM 960 (SS960). Per la scelta del materiale da utilizzare sono state analizzate le curve sforzo-deformazione relative al test di compressione, di entrambi i siliconi.
2.2. Identificazione area di contatto
È stato condotto un esperimento, utilizzando Mia Hand e un braccio robotico (Universal Robot ® UR5), che permette di ottenere l’area di contatto effettiva in cui posizionare i sensori in maniera efficiente. Le prese considerate (cilindrica/di potenza, di precisione e laterale) permettono di svolgere il maggior numero di attività quotidiane; gli oggetti (cilindro, cubo, sfera, prisma, ATM Card) e le relative dimensioni sono stati scelti sulla base della frequenza con cui vengono afferrati tramite la specifica modalità di presa esaminata. Per ogni oggetto e ogni presa, il test è stato ripetuto cinque volte. L’area di contatto ottenuta è stata trasferita sul modello CAD dell’indice permettendo la definizione di due configurazioni dei sensori: una configurazione “Asimmetrica” da sei sensori, e una “Simmetrica” da quattordici sensori.
2.3. Progettazione meccanica dell’indice
L’indice di Mia Hand è costituito da un “telaio”, sul quale viene colato il silicone che formerà i due strati di pelle artificiale. Al fine di rispettare i requisiti, sul telaio sono stati fatti degli offset interni, mentre per garantire l’aderenza con il primo strato, sono stati progettati cinque gruppi di punti di ancoraggio, costituiti da un canale cilindrico che termina con una cavità sferica; i punti di ancoraggio appartenenti allo stesso gruppo sono collegati tra loro tramite un canale cilindrico. All’interno della geometria del telaio sono stati creati dei canali attraverso cui passeranno i cavi che collegano le celle di idrogel alle schede PCB. Sono stati previsti dei canali per i singoli cavi (ØC = 0.8 mm), i quali iniziano in corrispondenza delle celle di idrogel e, per facilitare il cablaggio, confluiscono all’interno di canali cilindrici a sezione ellittica: uno per la configurazione “Asimmetrica” e due per la configurazione “Simmetrica”. I cavi che fuoriescono dai canali sono saldati al “Connettore A”, il quale è collegato alle PCB tramite un altro connettore rimovibile. Il “Connettore A” è adagiato sul dorso del telaio in una zona progettata a tal scopo e per fissarlo evitando eventuali movimenti, è stato progettato un apposito coperchio.
Il primo strato ha uno spessore totale pari a 3.2 mm nella parte frontale, contiene gli alloggiamenti per le celle di idrogel (diametro ØC= 2 mm e altezza h= 2.2 mm) e differisce per le due configurazioni. Il secondo strato, di spessore 2 mm, è uguale per entrambe le configurazioni e funge da copertura.
2.4. Fabbricazione della pelle artificiale
Per la fabbricazione della pelle artificiale sono stati progettati quattro stampi: stampo #1 e #2 per il primo strato e stampo #3 e #4 per il secondo strato; lo stampo #1 differisce per le due configurazioni da sei e quattordici sensori, mentre gli altri stampi sono uguali per entrambe le versioni. Il protocollo di fabbricazione prevede l’iniezione del materiale siliconico all’interno degli stampi e una sua successiva polimerizzazione per un tempo pari a circa 16h. Dopo aver realizzato il primo strato, vengono riempite le camere di idrogel ed infine viene colato il secondo strato.
2.5. Analisi meccanica ed elettrica della pelle artificiale
Per verificare la buona riuscita dell’integrazione meccanica della pelle nell’indice di Mia Hand, sono stati condotti tre differenti test: test di attivazione dei sensori, test alla piattaforma triassiale Physik Instrumente (PI) e test alla piattaforma Instron. Tutti i test sono stati eseguiti sia sull’indice in configurazione “Asimmetrica”, sia sull’indice in configurazione “Simmetrica”.
Test di attivazione dei sensori
L’obiettivo del test è valutare l’attivazione dei sensori durante l’esecuzione delle prese (cilindrica/di potenza, di precisione, laterale). È stato utilizzato il braccio robotico UR5 sul quale è stata montata la mano protesica Mia Hand dotata dell’indice su cui è stata integrata la pelle artificiale. I segnali dei sensori sono stati registrati mediante delle schede PCB, alloggiate su un supporto appositamente progettato e fissato sul braccio robotico.
Test piattaforma PI
L’obiettivo di questo test è valutare la risposta elettrica dei sensori presenti nell’indice, a seguito di un test di compressione eseguito su tre diverse aree (Area A, Area B, Area C) impiegando un indentatore piatto di diametro 5 mm fino al raggiungimento di una forza massima di 10 N.
Test piattaforma Instron
Questo test ha lo scopo di verificare l’integrità meccanica della pelle artificiale e stabilire una relazione tra forza e spostamento. Viene eseguito un test di compressione, per un numero di volte pari a cinque, fino al raggiungimento di una forza di 40N ed utilizzando un indentatore cilindrico di diametro 50 mm. Infine, viene ripetuto il test alla piattaforma PI con l’obiettivo di verificare che le camere di idrogel non siano state danneggiate a seguito delle sollecitazioni meccaniche dovute al test di compressione eseguito alla piattaforma Instron.
3. Risultati
3.1. Materiali pelle artificiale
La scelta è ricaduta sul materiale Smooth-SilTM 960 poiché, dall’analisi delle curve Sforzo-Deformazione, si evince che esso ha una curva con pendenza maggiore per cui è in grado di supportare un carico maggiore prima di subire deformazioni permanenti o rottura.
3.2. Analisi dei dati
Test di attivazione dei sensori
Gli output di tensione ottenuti sono stati analizzati mediante uno script Matlab. I dati sono stati prima filtrati e poi sincronizzati. È stata condotta anche un’analisi delle derivate che consente di individuare i punti di contatto e di rilascio. Infine, per capire quali sensori considerare attivi è stato seguito il seguente criterio: si definiscono sensori attivi quelli che presentano un valore del picco della derivata superiore al 40% del valore del picco della derivata raggiunto dal sensore di riferimento.
Test piattaforma PI
È stato eseguito lo stesso post-processing condotto per il test di attivazione dei sensori.
Test piattaforma Instron
Dall’esame delle curve, si evidenza l’assenza di qualsiasi effetto di snervamento del materiale. A seguito del test alla piattaforma Instron, è stato ripetuto il test alla piattaforma triassiale PI. Dall’analisi dei dati si evince la presenza di similitudini tra gli output ottenuti prima e dopo l’esecuzione del test di compressione; ciò significa che si è riusciti ad ottenere una buona integrazione meccanica della pelle artificiale.
4. Conclusioni e sviluppi futuri
L’obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo e la progettazione di una pelle artificiale e la sua integrazione nell’indice della mano protesica Mia Hand. Grazie al test di identificazione dell’area di contatto, è stato possibile ottenere una disposizione ottimale delle celle di idrogel. Ciò è stato confermato dai risultati relativi al test di attivazione dei sensori in quanto la configurazione di quest’ultimi ha garantito la presenza di un segnale proveniente dai sensori che si attivano durante l’esecuzione delle prese. Il materiale usato, ovvero SS960, fa sì che la pelle artificiale sia in grado di conservare le proprie caratteristiche meccaniche a fronte degli sforzi di compressione raggiunti durante l’esecuzione delle varie prese con la mano protesica Mia Hand. Questo risultato è stato messo in luce dal test eseguito utilizzando la piattaforma Instron e dal successivo test alla piattaforma PI. Inoltre, dall’analisi dei dati provenienti dal test effettuato utilizzando la piattaforma PI, emerge chiaramente che la pelle artificiale possiede la capacità di fornire un segnale anche quando l’area sottoposta a test non è perfettamente allineata o centrata rispetto alla posizione dei sensori.
Nel contesto degli sviluppi futuri di questa tecnologia, risulta essenziale la formulazione di un modello matematico del nanogeneratore triboelettrico TENG e si prevede, inoltre, la realizzazione di un nuovo design della cover di Mia Hand in modo da ottenere l’integrazione del cablaggio e delle schede PCB.