Altre caratteristiche necessarie

Oltre alla richiesta di forza associata a deformazioni elevate, il tutore deve presentare elevate caratteristiche di:

 frequenza di attuazione;

 temperatura d’equilibrio limitata;  adattabilità e indossabilità.

Frequenza d’attuazione.

Tale requisito risulta di fondamentale importanza in generale per tutti i tipi di attuatore dove è richiesta una determinata frequenza d’azionamento. Nel caso in esame, il tutore attivo può essere considerato un attuatore indossabile, che, dovendo simulare l’azione massaggiante, necessita di una certa reattività di azionamento. Questo aspetto risulta ancora più critico se si pensa di eguagliare le prestazioni degli attuali dispositivi ad azionamento pneumatico. Infatti, uno degli aspetti migliori di questi ultimi, risulta l’elevata frequenza ottenibile rispetto ai normali attuatori SMA, che vedono una loro limitazione proprio in

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seguito alla loro bassa frequenza di attuazione, che non supera mai i 2 [Hz] [19]. La causa della loro bassa reattività risiede nel fatto che il fenomeno del cambio di fase di tale leghe è governato dalla temperatura raggiunta dal filo. In particolare possono essere individuati due tempi principali: tempo di riscaldamento e tempo di raffreddamento. Il primo risulta essere proporzionale alla velocità con la quale il filo raggiunge la temperatura di austenite finish, mentre il secondo è proporzionale alla velocità con la quale il filo, partendo dalla temperatura raggiunta nella fase di attuazione, raggiunge la temperatura di martensite finish.

In particolare la fase più critica risulta essere il raffreddamento, in quanto, al contrario della fase di riscaldamento, che può essere governata aumentando o diminuendo la corrente con la quale viene alimentato il filo, è governata dallo scambio termico di convezione con l’ambiente e che quindi, a pari diametro del filo e temperatura di austenite finish, risulta essere vincolata. L’unico modo per velocizzare la fase di raffreddamento risulta essere quello di aumentare il coefficiente di scambio convettivo. Infatti negli attuatori SMA di tipo tradizionale le soluzione più comuni sono quelle di passare da una convenzione naturale ad una convenzione forzata in aria o sostituire il fluido con olii refrigeranti che consentono un ulteriore decremento del tempo di raffreddamento, in seguito ad un aumento del coefficiente di scambio convettivo.

Sebbene le soluzioni adottate risultano migliorare le prestazioni di tali attuatori, sono di difficile implementazione nel tutore, in quanto richiederebbero delle soluzioni costruttive molto complicate e che tendono a far perdere il requisito di indossabilità. Di conseguenza l’unica soluzione possibile al fine di limitare il tempo di raffreddamento, essendo costretti a lavorare in convenzione naturale in aria, risulta quella di limitare il più possibile il diametro dei fili. Infatti, la velocità di raffreddamento risulta essere inversamente proporzionale al diametro dei fili.

Temperatura d’equilibrio limitata

Un altro fattore importante da tenere in considerazione durante la progettazione del tutore sarà quella di limitare la temperatura percepita dal paziente durante una seduta di trattamento. Questo aspetto risulta di fondamentale importanza, soprattutto se si utilizza il dispositivo per il trattamento del linfedema, in quanto l’esposizione a fonti di calore risulta essere una controindicazione per i pazienti affetti da tale patologia. Principalmente il grado con il quale il dispositivo tende a scaldarsi è funzione delle temperature caratteristiche del filo SMA. In particolare il parametro

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principale risulta essere la temperatura di austenite finish, che deve essere necessariamente raggiunta, durante la fase di riscaldamento, al fine di completare in tutto il filo la trasformazione in fase austenitica e sfruttare così la massima deformazione consentita. Per lo svolgimento della tesi sono stati utilizzati fili della ditta SAES Getters, i quali, come si può vedere dall’appendice A, completano il cambio di fase ad una temperatura che può variare tra i 90 e 120 [°C] in funzione dello sforzo applicato. Tale valore risulta essere troppo elevato per consentire un’integrazione completa nel tessuto; di conseguenza sarà necessario provvedere un adeguato isolamento tra il paziente e i fili SMA, al fine di limitare la temperatura percepita dallo stesso.

La soluzione più efficace, però, risulta essere l’adozione di fili costituiti da leghe che presentano una temperatura di austenite finish limitata, al fine di consentire una maggiore integrazione dei fili nel tessuto.

Adattabilità e indossabilità

Per adattabilità si intende la capacità del dispositivo di adattarsi alle diverse condizioni operative. Nel caso trattato, quindi, il tutore dovrà essere in grado di potersi adattare a diverse circonferenze di bracci e gambe, senza che ci sia la necessità di dover realizzare un dispositivo su misura da paziente a paziente. Tale requisito risulta fondamentale se si vuole competere con gli attuali sistemi ad azionamento pneumatico, che consentono già una buona adattabilità. Sebbene tale requisito possa sembrare banale richiede uno studio approfondito, in quanto, al fine di generare la pressione necessaria, si utilizzeranno dei fili metallici, che, pur consentendo una deformazione molto elevata rispetto alle normali leghe, necessitano di avvolgere perfettamente il braccio o la gamba al fine di non disperdere la loro deformazione. Infatti se il dispositivo non avesse un’ottima adattabilità e quindi non fosse ben aderente all’arto del paziente, la contrazione subita dai fili si tramuterebbe solo in una diminuzione del gioco tra il tutore e la zona da trattare, anziché in un incremento di pressione. Al contrario, questo problema risulta molto meno sentito negli attuali dispositivi, in quanto l’aria compressa risulta in grado di sopperire anche alla presenza di eventuali vuoti causati da una imperfetta adattabilità.

Per indossabilità si intende, invece, la possibilità di utilizzare il dispositivo nel modo più comodo possibile. L’obiettivo sarà quindi quello di migliorare tale caratteristica rispetto ai gambali bracciali attualmente in uso. Quest’ultimi infatti, come si può notare dalla Figura 5, presentano ancora margini di evoluzione.

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3.4 CONCLUSIONI

Come riportato nei paragrafi precedenti il tutore attivo, per poter realizzare lo scopo per il quale è stato pensato, dovrà avere una serie di requisiti che sono di seguito brevemente riassunti:

 Deformazione: è il parametro determinate al fine di generare il valore di pressione obiettivo (160 [mmHg]). Con riferimento alle caratteristiche del braccio prova e del settore risulta necessaria una deformazione lungo la circonferenza di 28.5 [mm].

 Frequenza d’attuazione: è il parametro che governa la velocità di risposta del settore; risulta maggiormente influenzata dal tempo di raffreddamento dei fili. Tale valore deve essere sufficiente a garantire la corretta esecuzione del ciclo di massaggio.

 Temperatura d’equilibrio limitata: è la temperatura di regime che il tutore raggiunge durante il trattamento; risulta necessario che tale parametro rimanga prossimo alla temperatura corporea.

 Adattabilità: si intende la capacità del dispositivo di potersi adattare alle diverse circonferenze di bracci e gambe, senza che ci sia la necessità di dover realizzare un dispositivo su misura.

 Indossabilità: si intende la possibilità di utilizzare il dispositivo nel modo più comodo possibile

La difficoltà principale, durante la progettazione, è stata quella di soddisfare contemporaneamente tutti i requisiti sopra elencati, i quali, risultano spesso in contrasto tra di loro.

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CAPITOLO 4: CARATTERIZZAZIONE FILI SMA