La proposta in oggetto riguarda lo sviluppo e l¿ottimizzazione di attuatori elettrostatici riempiti con liquidi dielettrici del tipo HASEL (Hydraulically Amplified Self-Healing Electrostatic Actuators), che superino le limitazioni degli attuali attuatori di questo tipo, in particolar modo relativamente alla tensione minima necessaria ad innescare il processo di attuazione. È infatti noto che gli attuatori del tipo HASEL, nonostante la possibilità di ottenere deformazioni lineari di oltre il 100 % in fase di attuazione, necessitino di tensioni minime per il fenomeno cosiddetto di ¿pull-in¿, ossia l¿improvviso avvicinamento degli elettrodi che dà luogo al meccanismo di attuazione, solitamente comprese tra gli 8 kV e i 20 kV. Queste tensioni non sono compatibili con la possibilità di impiegare questo tipo di attuatori in applicazioni, come la robotica riabilitativa o gli attuatori indossabili, che richiedano il contatto con l¿uomo, per le quali è richiesta una tensione massima di 120 V in DC o 50 V in AC a frequenza industriale. È quindi necessario uno sviluppo ulteriore della tecnologia alla base degli HASEL che tenga conto di tutti i fenomeni coinvolti nel meccanismo di attuazione e permetta la realizzazione di attuatori soffici a ¿bassa tensione¿. Il presente progetto si propone quindi di utilizzare un approccio di tipo ¿modellistico¿, coadiuvato da misure sperimentali, per sviluppare un innovativo attuatore di tipo HASEL con tensione di attuazione almeno inferiore a 1 kV.
Negli ultimi anni la letteratura scientifica ha testimoniato la nascita di diversi tipi di attuatori soffici che, a seconda del materiale intelligente su cui si basano, possono essere classificati in: (i) SMM, che cambiano forma in risposta ad una corrente elettrica o al calore (ii) FFA, attuatori con struttura flessibile gonfiabile e azionata da un fluido (1), (iii) EAP, noti anche come "muscoli artificiali" per la loro capacità di emulare l'azione muscolare quando attivati attraverso uno stimolo di natura elettrica (2), (iv) DEA, una sottoclasse degli EAP, attuatori funzionanti sostanzialmente come condensatori a capacità variabile, la cui dinamica è basata sull'applicazione di un opportuno campo elettrostatico. I DEA offrono diversi vantaggi rispetto ad altri attuatori sofifci, in quanto non necessitano di un alimentatore ingombrante e la loro deformazione e movimento possono essere controllati con precisione semplicemente applicando la corretta tensione di attivazione.
Tuttavia, i soft robot tradizionali basati su DEA realizzati su membrane elastomeriche, pur potendo raggiungere deformazioni notevoli (>100%), sono soggetti a frequenti scariche nel dielettrico, a causa degli elevati campi elettrici richiesti per l'attuazione, rendendoli, peraltro, incompatibili con le applicazioni dove è richiesto l'interfacciamento con l'uomo. Secondo lo standard IEC 60364, per un funzionamento sicuro la tensione di alimentazione non deve superare i 50 V in AC e 120 V in DC (il corrispondente intervallo di tensione è chiamato Extra-Low Voltage o ELV). Sfortunatamente, i DEA richiedono alte tensioni per un'attuazione efficace, che spesso superano diversi kV e anche gli HASEL di nuova concezione hanno tensioni di innesco per l'attuazione di 8-20 kV.
L¿innovazione principale della presente proposta di progetto riguarda proprio la drastica riduzione della tensione di attuazione, tramite lo sviluppo di attuatori HASEL di tipo ¿donut-like¿ con design ottimizzato tramite simulazioni con software commerciale a elementi finiti. I dati in ingresso al modello saranno forniti da prove meccaniche sul materiale polimerico costituente il guscio dell¿attuatore, mentre le misure reologiche consentiranno la completa caratterizzazione del liquido di riempimento, permettendo una simulazione mediante i reali parametri degli attuatori realizzati. Una seconda innovazione consiste nella realizzazione delle sacche polimeriche con sagome arbitrarie mediante una innovativa tecnica di saldatura laser sottovuoto, sviluppata nell¿ambito del Progetto di Ateneo 2020 dal titolo ¿An innovative hybrid electro-fluidic actuator for applications in rehabilitation robotics¿. La tecnica sviluppata consente di realizzare geometrie, anche molto complesse, mediante l¿utilizzo di una sorgente laser a luce visibile commerciale, accoppiata ad un plotter a due assi e assistita da un sistema da vuoto che permette l¿applicazione di una pressione omogenea ai film polimerici nel corso della saldatura.
Bibliografia
1. De Greef A, Lambert P, Delchambre A. Towards flexible medical instruments: Review of flexible fluidic actuators. Precis Eng. 2009;33(4):311,21.
2. Bar-Cohen Y, Anderson IA. Electroactive polymer (EAP) actuators¿ background review. Mech Soft Mater. 2019 Dec 22;1(1):5.