Cap. 8 Sviluppi futuri
La realizzazione di un dispositivo innovativo, privo di precedenti in letteratura, rimane costantemente in via di sviluppo, fino a quando non trovi un assetto strutturale e funzionale stabile ed un preciso sbocco nel mondo scientifico. Le difficoltà di risolvere problemi, presentare soluzioni alternative, utilizzare nuove idee e pratici artefatti, sono quelle che caratterizzano un lavoro frutto dell’esperienza diretta e che, come visto, si sono manifestate durante il periodo di messa a punto dell’attuatore ad estroflessione e del relativo sistema per la modulazione di forma.
Allo stesso tempo, però, devono essere considerati i traguardi raggiunti, descritti in questo lavoro, e i metodi di innovazione proposti sia per uno sviluppo ai fini attuativi che applicativi del nostro dispositivo.
In questo capitolo saranno esposti i metodi di miglioramento proposti e non ancora realizzati, o che necessitano di ulteriori esperienze, ed esempi di applicazione che, studiati e sviluppati in modo opportuno, potranno basarsi su questa nuova tecnologia con i relativi vantaggi che da essa derivano.
8.1 Vie per il miglioramento della capacità attuativa
La prima parte della sperimentazione, come visto, si è basata sullo sviluppo di un attuatore ad estroflessione in grado di fornire una deformazione ottimale. I metodi e le configurazioni proposti, seppur validi, potrebbero essere soggetti a delle integrazioni, più o meno complesse, per consentire al dispositivo un ulteriore importante sviluppo.E’ conveniente fissare i punti di discussione di principale interesse per il raggiungimento dell’obiettivo prefisso, i quali verranno analizzati in seguito in modo dettagliato. Come detto, alcuni di questi metodi sono stati sperimentati in parte e necessitano di nuove prove, mentre altri sono proposti sulla base dei risultati raggiunti, delle considerazioni teoriche e delle intuizioni maturate in sede di sviluppo.
• Caratteristiche del supporto emisferico: o Supporto emisferico “a rete”
o Supporto emisferico toroidale • Caratteristiche del film polimerico:
o Ricerca dello spessore e della composizione ottimali o Film non planare
o Film con variazione locale di spessore o Film con variazione locale di composizione • Caratteristiche degli elettrodi:
o Differente metodo di applicazione • Caratteristiche della base:
o Riduzione dell’attrito o Fori per l’aria
Caratteristiche del supporto emisferico
Abbiamo visto come i problemi legati all’attrito dell’attuatore siano rilevanti per l’estroflessione. L’utilizzo della polvere di talco ha risolto in larga parte il problema e ha consentito una sperimentazione corretta e perlopiù indipendente dai fattori di perdita.
Una configurazione proposta per il miglioramento dell’attuazione è quella di utilizzare un supporto emisferico differente, definito “a rete”. Tale
supporto, ricalcando forma e
dimensioni dell’emisfera originaria, è costituito da filamenti rigidi di materiale plastico o metallico isolato esternamente in una struttura particolare, simmetrica, più o meno complessa, che riduce la superficie di appoggio del
Fig. 8.1: Schematizzazione di un supporto emisferico “a rete”
stabile e omogeneo dell’attuatore a riposo. La struttura, rappresentata schematicamente nella figura 8.1 della pagina precedente, può essere semplificata riducendo il numero di filamenti a discapito della resistenza della struttura nello stato non attivato.
Alcuni esperimenti sono stati effettuati utilizzando un tipo di supporto “a rete”, dimostrando così la validità di tale configurazione. Il dispositivo è stato realizzato su una base in policarbonato,
sulla quale sono stati disposti dei filamenti metallici per fornire la curvatura iniziale (Figura 8.2).
Parallelamente sono state
proposte altre idee.
Da considerazioni effettuate durante un esperimento eseguito in una configurazione del film polimerico con variazione locale di composizione, si è potuto
notare che la corona circolare attorno al disco centrale presentava un’attuazione in un istante temporalmente precedente alla zona della variazione, nonostante, nel caso specifico, questa fosse più morbida dal punto di vista meccanico. E’ stato ipotizzato che l’attuazione abbia inizio proprio sulla corona circolare, e non al centro dell’attuatore, come si potrebbe pensare. Per ottenere una deformazione più omogenea potrebbe essere utilizzato come supporto un oggetto toroidale, in grado di lasciare maggiormente libera la parte centrale dell’attuatore e convogliare l’attuazione iniziale direttamente alla zona centrale.
Caratteristiche del film polimerico
Le caratteristiche del polimero utilizzato sono ovviamente importanti dal punto di vista dell’attuazione, che sfrutta il principio generale degli EAP. Presso il Centro Interdipartimentale di Ricerca “E.Piaggio”, lo sviluppo di un materiale polimerico di migliore qualità, relativamente alle caratteristiche elettriche e meccaniche, procede parallelamente allo sviluppo dei nuovi attuatori.
Per quanto riguarda le caratteristiche di composizione e di dimensione dei provini, bisogna cercare un compromesso tra i fattori di morbidezza e spessore del film e la
Fig. 8.2: Realizzazione del dispositivo di sostegno “a rete”, con la presenza nella base dei “fori per l’aria”
forza sviluppata richiesta. E’ noto, infatti, che provini meno rigidi e più sottili riescono a raggiungere deformazioni migliori ma, quando sono soggetti ad un determinato carico, possono rispondere in maniera non corretta all’applicazione del campo elettrico, perché non in grado di sviluppare eccessiva forza. Si deve considerare, inoltre, che provini di spessore ridotto ottengono grandi deformazioni a potenziali più bassi, in quanto è maggiore il campo elettrico che si instaura. E’ conveniente, per questo motivo, realizzare attuatori di qualità soddisfacente minimizzando lo spessore del film polimerico.
Per ovviare ad alcuni problemi di carattere strutturale, invece, sono stati fabbricati in laboratorio film polimerici di configurazione non planare, ottenuti mediante un processo di lavorazione particolare e l’uso di appositi stampi, in modo da preformare le membrane con un raggio di curvatura simile a quello del supporto emisferico. Tali film, utilizzati per l’applicazione del gripper polimerico a cui si è già fatto riferimento, non hanno ancora trovato spazio nella sperimentazione per gli attuatori ad estroflessione, lasciando un interrogativo in proposito.
Una importante serie di esperimenti da ampliare e considerare, è quella sui film polimerici a variazione locale di spessore e di composizione.
In particolare, nel primo caso, sarebbe opportuno considerare altre configurazioni a spessore variabile realizzate con la carta adesiva, riducendo il diametro dei dischi di materiale e posizionando le variazioni in modo differente a quanto è stato effettuato finora.
Per i film a variazione locale di composizione possono essere effettuate prove simili. Inoltre è possibile cambiare la forma e le dimensioni, nonché gli spessori delle variazioni utilizzati per riuscire ad ottenere l’effetto di over buckling controllato che ha ispirato questi studi.
Caratteristiche degli elettrodi
Per quanto riguarda gli elettrodi a base di nerofumo, l’aspetto più delicato, come è stato fatto notare, è quello dell’applicazione sulla membrana polimerica. Tale processo, in parte semplificato dall’utilizzo delle maschere adesive, potrebbe essere sviluppato in altri modi attraverso metodi di applicazione che consentano un maggiore controllo dello spessore. Le tecniche che utilizzano l’aerografo, ad esempio, più complicate, non sono state ancora applicate per la realizzazione di attuatori ad estroflessione. Questo aspetto dovrebbe essere considerato nelle future
applicazioni, per stabilire quanto influisca la maggiore casualità statistica derivante dall’applicazione manuale degli elettrodi attraverso i processi descritti.
Caratteristiche della base
Il contatto della membrana polimerica con la base d’appoggio ha certamente un suo effetto negativo sulle caratteristiche dell’attuazione. In particolare sono da considerare i problemi di attrito con la base, oltre che con il supporto emisferico. Questo tipo di attrito è presente in modo maggiore quando il supporto emisferico è ridotto rispetto alle dimensioni del vincolo e quindi una maggiore area di polimero, non vincolato, è in contatto con la base.
Sono stati proposti e sperimentati, in un caso, metodi di riduzione dell’attrito per mezzo di sostanze oleose. Tali metodi non hanno portato, al momento, ad apprezzabili vantaggi rispetto all’utilizzo della polvere di talco e, oltretutto, introducono ulteriori problemi se, ad esempio, un olio è semplicemente introdotto al di sotto del film senza alcuna precauzione. Rimangono aperte le strade di utilizzo di queste sostanze, in quanto per esse è più semplice la distribuzione sul film in modo omogeneo e, rispetto alla polvere di talco, possono influire in maniera meno negativa sul polimero. Si ritiene, infatti, che, in fase di attivazione, il polimero possa inglobare fisicamente nella struttura una piccola quantità di talco, tale da influire sulle proprietà elettromeccaniche del dispositivo durante le successive fasi di attuazione.
Alcuni problemi di presenza di aria al di sotto del film polimerico sono stati intuiti in una delle fasi di sperimentazione. Si determina, infatti, in fase di attivazione, una situazione per cui al di sotto della parte elettrodizzata si crea una zona di vuoto parziale non colmabile, in quanto il materiale è vincolato ai bordi, che può influire in maniera negativa sui processi di attuazione. Una soluzione a questo problema è stata presentata attraverso l’utilizzo di una base con presenza di fori per l’aria, al di sotto dell’area attivabile. Ovviamente, nel caso di supporti emisferici grandi, i fori per l’aria dovrebbero essere applicati direttamente sull’emisfera e comunicanti con l’esterno. Dispositivi di questo tipo consentirebbero una più ampia interpretazione dei fenomeni attuativi e degli aspetti che li condizionano. Alcune prove sono state effettuate su emisfere particolari, per offrire una soluzione al problema. Gli esperimenti, tuttavia, hanno portato, come detto, a risultati non soddisfacenti.
8.2 Idee di nuove applicazioni
Come abbiamo detto fin dall’inizio, gli attuatori ad estroflessione e i metodi per la modulazione di forma qui proposti possono avere possibilità di utilizzo molto generali, in vari ambiti di applicazione.
L’applicazione alle superfici flessibili si addice maggiormente alle caratteristiche di questi dispositivi che, come le superfici che vengono modulate, possiedono caratteristiche di elasticità considerevoli.
Una superficie può essere considerata flessibile se è costituita da un certo numero di superfici più piccole capaci di un moto relativo ed è definita, in questo caso, superficie “a maglia”. Anche questo tipo di superfici potrebbe essere vantaggiosamente controllato dagli attuatori ad estroflessione messi a punto. In ambito aerospaziale, dove i risparmi di peso e volume sono essenziali, dispositivi pieghevoli di questo genere sono frequentemente utilizzati, ad esempio per fotocellule per accumulare energia solare. Gli attuatori ad estroflessione potrebbero essere utilizzati per realizzare una modulazione di superficie particolarmente adatta a tale scopo, come mostrato nella figura 8.3. La capacità di estroflessione degli attuatori utilizzati determina l’angolo di spostamento di ciascun segmento, in modo da orientare i pannelli nella giusta direzione e massimizzare i guadagni di acquisizione di energia.
Fig. 8.3: Esempio di modulazione di una superficie “a maglia” per mezzo di attuatori polimerici
Negli ambiti che riguardano l’aerodinamica di vetture da corsa potrebbe essere utilizzato lo stesso criterio per realizzare una modificazione di una superficie per variare un determinato flusso aerodinamico.
Tali dispositivi, per le loro caratteristiche, possono essere inseriti in zone in cui altri meccanismi, per motivi di ingombro e peso, non sono mai stati applicati.
8.2.1 Protesi biomediche
L’approccio verso l’ambito medico, per tutte le nuove tecnologie ad esso applicabili, è sempre estremamente delicato. Gli attuatori ad estroflessione, come tutti i materiali appartenenti alla classe dei “muscoli artificiali”, possono mirare a trovare un utilizzo in ambito biomedico.
Come è stato anticipato, i muscoli umani possono essere considerati superfici elastiche che variano il proprio stato fisico dalla fase di rilassamento a quella di attivazione. In particolare, il cuore lavora contraendosi in modo da variare il volume delle cavità durante il ciclo cardiaco. Le forze necessarie per tali cambiamenti conformazionali potrebbero essere esercitate,
in modo meramente meccanico, attraverso la deformazione dovuta ad attuatori ad estroflessione configurati in modo opportuno, anziché nel modo fisiologico elettromeccanico dovuto alla contrazione muscolare a causa dalla capacità intrinseca di generazione di depolarizzazione da parte del miocardio specifico.
Il principio di funzionamento è quello di una pompa, che si basa sui polimeri elettroattivi per le specifiche caratteristiche di forza esercitata, efficienza, velocità di risposta;
densità specifica e biocompatibilità rendono poi il materiale adatto allo scopo. Naturalmente, prevedere di sostituire il motore del corpo umano appare, con le attuali conoscenze sugli EAP, non ancora possibile. Tuttavia, la possibilità di cooperazione fra impulsi miocardici normali e artificiali, cioè l’utilizzo degli attuatori in questa configurazione per aiutare il normale funzionamento del cuore come pompa, si può intravedere fin da ora.
Fig. 8.4: Esempio di applicazione degli attuatori ad estroflessione per
realizzare un prototipo di cuore artificiale
La variazione di volume data dall’attivazione del dispositivo sull’atrio è di ausilio al trasferimento del sangue in esso contenuto al ventricolo. La successiva attuazione del secondo dispositivo determina il flusso ematico all’esterno del miocardio. Una possibile configurazione degli attuatori attorno alla membrana elastica del cuore è rappresentata in modo semplificato nella figura 8.4 della pagina precedente.
Questo esempio di applicazione dimostra che, per tali tecnologie, un’applicazione completa nel campo della biomedicina e delle protesi mediche è altamente auspicabile. Del resto, i polimeri elettroattivi hanno, sin dalla loro scoperta, affascinato scienziati e ingegneri proprio per la grande somiglianza con i muscoli naturali e per le loro notevoli capacità, ampiamente descritte e documentate, utilizzabili in molti campi.
Altre moltissime applicazioni in ambito biomedico attendono solo di essere ideate e studiate, in quanto, come visto, la configurazione di attuatore ad estroflessione proposta per la modulazione di superfici flessibili su cui possono basarsi è, a tutti gli effetti, valida.
