Cap.3 Applicazione degli EAP per la
modulazione di forma di superfici flessibili
Il semplice principio di attuazione che è alla base del funzionamento degli attuatori ad elastomeri dielettrici può essere sfruttato per varie applicazioni, una delle quali descritta nel lavoro di tesi in Ingegneria Biomedica “Sviluppo di attuatori polimerici per gripper a geometria variabile” della collega Azzurra Chiri, insieme alla quale è stata eseguita la parte di sviluppo degli attuatori utilizzati. Questo tipo di attuatori, messi a punto negli ultimi mesi presso i laboratori del Centro Interdipartimentale di Ricerca “E.Piaggio” della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pisa, sono dispositivi nuovi, suscettibili di migliorie, in attesa di trovare sbocco in vari ambiti di applicazione.La presente tesi sviluppa un’altra particolare applicazione degli attuatori polimerici, di importanza strategica per migliorare lo stato attuale delle tecnologie esistenti in relazione alla modulazione di forma di superfici flessibili.
Di seguito si parlerà dell’importanza di modulare superfici di qualsiasi forma e dimensione, gli ambienti per cui l’idea si è sviluppata, e verrà descritta la configurazione ad estroflessione utilizzata per lo sviluppo degli attuatori.
3.1 Generalità di un sistema per la modulazione di forma
Un meccanismo per la modulazione di forma non è un dispositivo dotato di una esistenza propria e indipendente, ma più precisamente un supporto che si adatta alle caratteristiche dell’oggetto con cui lavora per consentirgli di svolgere le funzioni per cui è stato progettato. La modulazione che si vuole ottenere, infatti, è sempre da applicare ad altri sistemi di qualsiasi genere, esistenti o nuovi, i quali necessitano di un cambiamento conformazionale per portare a termine una determinata azione.
Questa multi-applicabilità rende necessario uno studio accurato, mai generalizzato, delle configurazioni possibili, in relazione all’ambiente in cui il sistema opera, al fine di ottenere prestazioni e modulazioni ottimali qualsiasi sia, ad esempio, la forma dell’oggetto al quale viene applicato. Gli attuatori polimerici utilizzati per realizzare una
determinare un effetto globale che si ripercuote lungo tutta la superficie a cui sono collegati. Tale effetto deve perciò essere noto e controllabile.
In talune applicazioni è netta, poi, l’affinità con dispositivi elettromeccanici usuali, in quanto alla base del meccanismo di attuazione vi è una trasformazione di energia da elettrica a meccanica: entrambi sono i motori del sistema per la modulazione di forma. Tuttavia, se lo scopo a cui sono rivolti è identico, le caratteristiche dei due metodi di attuazione sono completamente diverse, come si vedrà.
3.2 Necessità attuali di una modulazione di forma
In varie applicazioni la necessità di una modulazione di forma è essenziale, in quanto caratteristiche e finalità proprie di sistemi complessi sono dovute all’utilizzo di attuatori in grado di soddisfare esigenze specifiche.
Quando si deve modulare una certa superficie oppure orientare un oggetto in una particolare posizione, devono essere ricercate nel sistema per la modulazione di forma caratteristiche di alto livello che consentano un’alta risoluzione di controllo, cioè movimenti più precisi.
Gli ambiti di applicazione della modulazione di forma sono molteplici nei dispositivi ad alta tecnologia, ma è nei dispositivi innovativi oppure per ottenere miglioramenti di prestazioni in situazioni particolari che gli attuatori polimerici mirano ad essere adottati. L’utilizzo di questo tipo di attuatori, capaci di generare movimenti più regolari e continui di quelli generati da altri congegni meccanici, essendo flessibili e meno limitati dalla rigidità di ingranaggi e cuscinetti, consente grandi possibilità di impiego. Di qui la considerazione, tra l’altro, dei polimeri elettroattivi come muscoli artificiali e la possibilità di applicazione, quindi, in ambito biomedico.
Il presente lavoro si propone di ricercare una configurazione di attuatore in grado di soddisfare i requisiti di forza, velocità di risposta e ampiezza della variazione di forma imposta ad una certa superficie, con la possibilità di utilizzare successivamente i risultati per le applicazioni più particolari, alcune delle quali date di seguito come possibile esempio di applicazione. Gli attuatori polimerici ideati e sviluppati saranno quindi disposti in una configurazione utile in grado di offrire un elevato grado di controllo di una superficie elastica realizzata, a titolo di esempio, in materiale siliconico, e di altre superfici adatte alla simulazione. Sarà questo il punto di partenza per lo studio delle
capacità di un sistema per la modulazione di forma così realizzato, per poi rivolgersi ad altre possibili applicazioni in vari campi.
A cominciare dall’ambito aerospaziale, infatti, sono notevoli ed estremamente richieste, al momento attuale, nuove tecnologie di attuatori con le caratteristiche di basso peso, elevata affidabilità, velocità di risposta allo stimolo applicato, proprie dei polimeri elettroattivi. Sono stati presentati progetti non ancora realizzati di dispositivi di forma sferica capaci di muoversi sulle superfici di pianeti o asteroidi per mezzo delle forze generate da attuatori polimerici, attraverso grandi deformazioni che determinano cambiamenti conformazionali utili al movimento o all’afferraggio di oggetti. L’utilizzo di questi sistemi alternativi altamente automatizzati, che si basano essenzialmente su polimeri elettroattivi, è di enorme importanza per lo studio dello spazio celeste, se tali materiali dimostreranno di essere all’altezza delle promesse che hanno affascinato scienziati e ingegneri per le loro importanti capacità, e che hanno ispirato questi studi [1].
Da ciò si può capire quanto sia importante la realizzazione e lo sviluppo, descritti in modo esaustivo nei capitoli seguenti, che sono stati svolti su una configurazione particolare di attuatori, detti ad estroflessione, capaci di
soddisfare le specifiche richieste.
Nello stesso ambito, gli attuatori polimerici ad estroflessione possono essere utilizzati per modificare in modo opportuno le orientazioni di oggetti importanti, quali i pannelli fotovoltaici, utilizzati per dispositivi che
lavorano nello spazio per massimizzare l’energia acquisibile dai raggi solari. Il movimento di tali pannelli, e più precisamente delle unità elementari che li costituiscono, può essere adibito a sistemi per la modulazione di forma realizzati con attuatori polimerici, anziché a dispositivi elettromeccanici, consentendo un ulteriore risparmio di peso.
E’ quasi d’obbligo, poi, che le migliorie introdotte dalla ricerca aerospaziale costituiscano la base per le innovazioni dell’industria automobilistica. I lungimiranti impieghi degli attuatori polimerici potrebbero essere destinati all’ingegneria dell’automobile, che si propone di ottenere le massime prestazioni nelle auto da corsa Fig. 3.1: Pannello fotovoltaico modulabile per mezzo di attuatori polimerici
Fig. 3.2: In vetture da corsa è possibile utilizzare attuatori leggeri per controllare l’assetto aerodinamico
ricorrendo ad oggetti sempre più particolari e innovativi. Problemi di aerodinamica, di variazioni della posizione degli alettoni sono sicuramente risolvibili con l’ausilio di questi particolari polimeri, con la possibilità di introduzione di nuovi artefatti aerodinamici con superficie variabile, localizzati in zone dove al momento attuale non è possibile inserire alcun oggetto, per l’incapacità dei dispositivi comuni, ad esempio, di generare forze di pari entità a parità di peso e dimensione.
Anche in ambito biomedico la possibilità di applicazione di un sistema di modulazione realizzato con polimeri elettroattivi è altamente considerabile. Presso il Centro Interdipartimentale di Ricerca “E.Piaggio” è stato realizzato un progetto di automa facciale, denominato F.A.C.E., in grado di interfacciarsi con un interlocutore attraverso espressioni facciali diverse. Si potrebbe pensare di ottenere le modificazioni della membrana polimerica che costituisce il viso per mezzo dei dispositivi esposti in questa tesi, per realizzare una modulazione di forma semplice e soddisfacente.
In altre applicazioni potrebbe essere utilizzato il principio in modo più generale: i movimenti di alcuni muscoli umani, infatti, sono assimilabili a superfici variabili a seconda della contrazione o del rilassamento. In particolare, il muscolo cardiaco lavora facendo variare il volume di atri e ventricoli durante il ciclo cardiaco. Questo aspetto potrebbe essere riprodotto, quindi, utilizzando un attuatore ad estroflessione che agisce sulla superficie di un ipotetico cuore artificiale, imprimendo la forza necessaria.
Un obiettivo per i polimeri elettroattivi è proprio quello di realizzare congegni che simulino in modo ottimale il comportamento dei muscoli umani, per le notevoli affinità in relazione all’allungamento percentuale, alla forza esercitata, all’efficienza, alla velocità di risposta e alla densità specifica. La sfida futuristica dei cosiddetti “muscoli artificiali” è quella di realizzare un braccio robotico attuato da EAP per vincere una gara di braccio di ferro contro un avversario umano. Il progresso per raggiungere questo obiettivo porterà a grandi benefici, soprattutto nell’area medica e delle protesi. Fra decenni, i materiali polimerici elettroattivi potranno essere utilizzati per riparare muscoli umani danneggiati, portando potenzialmente ad un “uomo bionico”, o essere applicati per mimare i movimenti di animali e di insetti. In futuro, meccanismi attuati dagli EAP permetteranno di creare dispositivi mai immaginati prima [2].
In questo paragrafo sono stati descritti gli obiettivi possibili che potranno essere raggiunti da questo studio. Inoltre sono state fornite informazioni su alcune idee del tutto nuove, che, grazie all’utilizzo dei nuovi attuatori, potranno essere realizzate per mezzo di questa tecnologia d’avanguardia.
Nei prossimi capitoli sarà discusso quanto di concreto è stato raggiunto, oltre ad un dispositivo in grado di modulare una superficie.
3.3 La configurazione ad estroflessione
L’applicazione degli EAP per la modulazione di forma di superfici flessibili, così come descritta in questa tesi, è stata resa possibile dall’utilizzo di una particolare configurazione dell’attuatore, detta, appunto, configurazione ad estroflessione.
Il sistema è basato su una membrana elastomerica, la cui curvatura può essere modificata applicando uno stimolo elettrico. Tale effetto può essere raggiunto sfruttando il principio degli attuatori ad elastomeri dielettrici nella configurazione planare, come descritto nel capitolo 2. Un attuatore di questo tipo è costituito da un materiale dielettrico elastomerico racchiuso fra una coppia di elettrodi deformabili fabbricati sulle superfici che costituisce così un condensatore ad elettrodi deformabili e spessore variabile. Con l’applicazione di adeguate differenze di potenziale tra le due facce del condensatore, possono essere raggiunte grandi deformazioni. La differenza di potenziale indotta tra le superfici del polimero, infatti, determina un assottigliamento nella direzione dello spessore, accompagnato da un’espansione superficiale. L’applicazione di alte differenze di potenziale fra i due elettrodi deformabili determina, come già detto, l’insorgere di due effetti concorrenti.
Il primo effetto è la riduzione dello spessore della membrana dovuta alla forza di attrazione fra le cariche di segno opposto sulle facce del condensatore, la quale, dal momento che avviene in condizione isovolumica, determina un aumento della superficie del dielettrico. Il secondo è la repulsione fra le cariche dello stesso segno su ciascuna superficie che collabora all’espansione superficiale dell’elastomero.
Negli attuatori ad estroflessione questo principio è utilizzato unitamente ad opportune condizioni al contorno. L’effetto di deformazione planare, infatti, non determina di per sé una variazione della curvatura se non si presuppone un dispositivo adeguato che vincoli la membrana ai bordi, oppure, eventualmente, se non si adottino elettrodi di rigidità differente. Secondo tali modalità, sono stati ad oggi messi a punto due metodi realizzativi.
Il primo metodo presuppone una configurazione detta unimorfa, in cui uno strato del dielettrico è racchiuso tra due elettrodi di differente rigidità. In questo caso l’espansione che si ha in risposta allo stimolo elettrico è maggiore per l’elettrodo più deformabile
differente deformazione dei due elettrodi induce una piegatura dell’attuatore verso il lato più rigido. Tuttavia, per l’eccessiva difficoltà di realizzazione di elettrodi di rigidità apprezzabilmente diversa, questo processo di realizzazione non è stato utilizzato.
Nel secondo metodo, che utilizza una configurazione detta a diaframma, i bordi della membrana devono essere vincolati in modo opportuno. Inoltre, prima di applicare la differenza di potenziale, deve essere determinata nella membrana una pre-curvatura, affinché la deformazione attiva avvenga in una precisa direzione. Quest’ultima è stata ottenuta, nei dispositivi finora proposti, utilizzando aria compressa insufflata dal lato inferiore del film siliconico per determinare la direzione dell’attuazione. Tuttavia la complessità relativa all’utilizzo di un dispositivo per l’aria compressa ha portato successivamente ad un approccio più semplice. E’stato previsto di utilizzare un supporto emisferico accoppiato alla superficie inferiore della membrana per ottenere la pre-curvatura richiesta. L’emisfera
conferisce, in questo modo, un supporto meccanico più rigido alla membrana e, in fase attiva, consente l’estroflessione dell’attuatore nella direzione della curvatura. Quest’ultima soluzione fornisce le condizioni essenziali per la realizzazione dell’attuatore ad estroflessione senza introdurre ulteriori difficoltà nell’utilizzo di
componenti e strumentazioni addizionali, come ad esempio una camera per fornire l’aria compressa. Come conseguenza si ha che l’applicazione di una differenza di potenziale adeguata fra gli elettrodi aumenta l’inarcamento iniziale del dispositivo così realizzato, dal momento che i vincoli esterni impediscono la deformazione tipica degli attuatori planari e la convogliano in un’unica direzione. Ciascun punto dell’attuatore viene in questo modo innalzato in modo proporzionale alla tensione applicata [3, 4, 5].
Il fenomeno di deformazione e successivo innalzamento è dovuto essenzialmente, come si può intuire, alle caratteristiche della membrana elastomerica unitamente alla particolarità del dispositivo su cui il polimero elettroattivo si appoggia. Nel prossimo capitolo si vedrà come si è realizzato il materiale per il film elastomerico e come il dispositivo per l’attuazione è costituito.
Fig. 3.3: Schema di attuatore ad estroflessione a riposo (a) e in fase attiva (b)
