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Descrizione
Descrizione
L'oggetto della ricerca è lo sviluppo di un nuovo tipo di attuatori e generatori basati su polimeri elettroattivi e liquida dielettrici (LEAP). I LEAP sono trasduttori elettrostatici a capacità variabile in cui la modulazione della capacità è ottenuta cambiando la quantità e/o la forma di un volume di fluido dielettrico che separa elettrodi deformabili costruiti su substrati dielettrici flessibili. L'argomento richiede un ampio approccio multidisciplinare che coinvolge aree come la scienza dei materiali, l'ingegneria meccanica, l'ingegneria elettrica, con legami con aree della fisica teorica. Nel corso del progetto sono stati sviluppati due trasduttori:
un attuatore per applicazioni aptiche per l'implementazione di un dispositivo tattile;
l'Electrostatic Bellow Muscle (EBM) - un trasduttore multiuso impilabile con alta corsa e densità di energia che può servire come attuatore, pompa o generatore di energia.
L'attività è collocata nella macroattività 1. La nuova classe di trasduttori LEAP è stata impiegata per la realizzazione di attuatori e generatori con attributi prestazionali senza precedenti in termini di resilienza, adattabilità, rapporti potenza-peso, integrazione funzionale, facilità di fabbricazione e montaggio, costo estremamente basso dei loro componenti, affidabilità e durata superiori. I trasduttori sviluppati e le prestazioni raggiunte evidenziano l'importanza del LEAP in settori quali i polimeri elettroattivi (EAP), i materiali intelligenti e la robotica morbida in generale.
Team
Team
Referente: Luca Fambri
Gruppo di lavoro:
Ricercatori DII: Luca Fambri, Sandra Dirè
Ricercatori esterni: Marco Fontana (Sant’anna Pisa), Gianluca Moretti (SSant’anna Pisa), Rocco Vertechy (Università di Bologna)
Tecnici: Mauro Cescatti, Alfredo Casagranda, Claudia Gavazza
Studenti PhD: Ion-Dan Sirbu
Studenti di LM o LT: Gabriele Bortolotti (LM), Fabrizio Flaim (LM), Giacomo Grandotto (LT)
Partner esterni coinvolti
Istituzioni di ricerca straniere: SOMAP Institute of the Johannes Kepler University, Linz, Austria.
Istituzioni di ricerca nazionali: Scuola Sant’Anna, Pisa; Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Bologna
Figura 1: Trasduttore LEAP. Schematico A: attuatore tattile; Schematico B: stacked EBM.
Lavoro degli studenti coinvolti
Lavoro degli studenti coinvolti
PhD: Ion-Dan Sirbu
Argomento: Studio di nuova classe di attuatori e generatori basati su LEAP applicazioni in robotica avanzata.
Data inizio dell’attività: Novembre 2018
Stato dell’attività, obiettivi e scadenze:
L'attività in esame ha raggiunto il suo obiettivo principale, quello di sviluppare attuatori e generatori innovativi basati su dielettrici liquidi. Questi attuatori sono stati presentati a conferenze internazionali, e documentati con ampia descrizione in pubblicazioni scientifiche. Attualmente, si sta lavorando per spiegare alcuni fenomeni elettrici osservati nei trasduttori LEAP che possono portare a miglioramenti sia nell'attuazione che nella generazione. Sono anche in preparazione nuove pubblicazioni scientifiche.
LM: Gabriele Bortolotti (LM)
Argomento: Electrostatic Bellow Actuator
Date: Settembre 2019 – Marzo 2020
LT: Giacomo Grandotto
Argomento: Polymer film bonding for LEAP actuators application
Date: Giugno 2019 – Marzo 2020
LM: Fabrizio Flaim (LM)
Argomento: Bellow-shaped electrostatic energy harvester based on liquid dielectric gap
Date: Aprile 2020 – Ottobre 2020
Risultati
Risultati
Articoli scientifici:
Sîrbu, I. D..; Moretti, G.; Bortolotti, G.; Bolignari, M.; Dirè, S.; Fambri, L.; Vertechy, R.; Fontana, M., "Electrostatic bellow muscle actuators and energy harvesters that stack up" in SCIENCE ROBOTICS, v. 6, n. 51 (2021), p. eaaz5796. - DOI: 10.1126/scirobotics.aaz5796 [2021 BEST Journal Paper AWARD by the technical Committee of ASME - AEROSPACE DIVISION]
Sîrbu, Ion-Dan; Moretti, Giacomo; Bolignari, Marco; Fambri, Luca; Vertechy, Rocco; Fontana, Marco, "Demo - Multifunctional actuators and energy harvester based on the Electrostatic Bellow Muscle (EBM)", Proc. SPIE 11587, Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) XXIII, 115870G (22 March 2021); https://doi.org/10.1117/12.2589548. [BEST DEMO AWARD]
Sîrbu, Ion-dan; Moretti, Giacomo; Dire, Sandra; Fambri, Luca; Vertechy, Rocco; Maniglio, Devid; Fontana, Marco, "Electrostatic actuator for tactile display based on hydraulically coupled dielectric fluids and soft structures" in Proc. SPIE 10966, Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) XXI, 109662D (19 March 2019), Denver: SPIE, 2019, p. 68. - ISBN: 9781510625877. Proceedings of: SPIE EPAD, Denver, 19/03/2019. - DOI: 10.1117/12.2514279
Prototipi sviluppati: Come descritto sopra, sono stati sviluppati diversi prototipi sia di un attuatore tattile a che di un muscolo artificiale chiamato EBM in base ai diversi materiali e metodi di fabbricazione. La foto qui sotto presenta una delle ultime versioni dell'EBM. Questo particolare esempio è un muscolo artificiale di 6 unità fabbricato con una tecnica di piegatura che parte da una striscia monolitica (si possono vedere le pellicole polimeriche piegate sui lati dell'attuatore) pensata appositamente per rendere la fabbricazione e i processi di impilamento molto semplici e scalabili. L'impilamento di più unità aumenta la corsa totale (o la forza - per una configurazione leggermente diversa da quella mostrata nella foto) dell'attuatore proporzionalmente al numero di unità coinvolte, rendendolo facilmente adattabile a specifici requisiti applicativi.
Figura 2: stacked EBM.
Riconoscimenti e disseminazione
Riconoscimenti e disseminazione
Al convegno SPIE Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) XXIII, la presentazione demo (link) del 23/03/2021 riguardante “Electrostatic Bellow Muscle” ha vinto il primo premio della EAP-In-Action Demonstration Session.
Quel robot ha i muscoli d'acciaio, Repubblica Scienze.
Dalla fisarmonica ai muscoli artificiali: i risultati della ricerca della Scuola Sant’Anna, La Nazione.
2021 BEST Journal Paper AWARD by the technical Committee of ASME - AEROSPACE DIVISION - "Electrostatic bellow muscle actuators and energy harvesters that stack up" di Sîrbu, I.D. et al. in SCIENCE ROBOTICS, 6, 51 (2021) - DOI: 10.1126/scirobotics.aaz5796.
Acquisizione di risorse
Acquisizione di risorse
Proposte di finanziamento (ente, breve descrizione della proposta, date rilevanti):
Presentate:
Proposta di Progetto EU FET: ZEAP: Zipping Elactroactive Polymers, Coordinatore Marco Fontana (Scuola Superiore Sant’Anna), Partners: UNITN, UNIBO, EPFL, JKU.
Accettate:
Starting grant di ateneo Università di Trento: Fontana Marco.
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