RICERCA ITALIANA     

Sensori, Attuatori e Sistemi per il Controllo di Movimentazione basati su materiali IPMC (Ionic Polimer Metal Composites)

Università degli Studi di Catania

Abstract

Il programma di ricerca si propone di sviluppare innovazioni tecnologiche relative alla fabbricazione di materiali IPMC (Ionic Polymer-Metal Composites), metodologie per la loro caratterizzazione, strumenti hardware, software e strategie di controllo per la progettazione e realizzazione di sistemi basati su tali materiali.
Gli IPMC sono nuovi composti polimero-metallo di crescente interesse sia in applicazioni robotiche, per l'implementazione di attuatori di movimento con caratteristiche simili a fibre artificiali che emulano i muscoli biologici, sia nel campo delle misure, per la realizzazione di sensori di movimento. Essi, infatti, risultano essere particolarmente leggeri, si deformano in modo non rigido se soggetti a basse tensioni elettriche (dell'ordine dei Volt) e viceversa producono delle tensioni se meccanicamente stimolati. La comprensione dei fenomeni coinvolti nella conversione elettromeccanica di energia può servire a tradurre le potenzialità di tali materiali in attività di ricerca mirata alla costruzione di dispositivi innovativi in cui funzioni di attuazione e di sensing possono essere integrate in un unico materiale.
A tal fine, gli aspetti scientifici più rilevanti del progetto di ricerca proposto vertono nell'organizzare in maniera sistemistica:
1. le innovazioni tecnologiche introdotte nella realizzazione di componenti IPMC,
2. la caratterizzazione e la modellizzazione dei componenti,
3. una metodologia generale di sviluppo di nuovi strumenti per la realizzazione ed il testing di prototipi,
4. le strategie di controllo adeguate per la realizzazione di sistemi complessi di movimentazione basati su IPMC.
L'utilizzo di materiali che mostrano proprietà sia sensoriali che di attuazione, ma che nel contempo funzionino da scheletro portante per sistemi di movimentazione controllati, viene affrontato in maniera globale, mettendo a punto tutti gli strumenti necessari affinché possano definirsi standard di funzionalità e procedure di validazione generale per la costruzione di prototipi multicomponente basati su IPMC. Aspetto quest'ultimo di notevole valenza scientifica parzialmente affrontato anche in laboratori di ricerca di rilievo. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Luigi FORTUNA Università degli Studi di CATANIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il programma di ricerca si prefigge di raggiungere i seguenti obbiettivi:
1. introdurre alcune modifiche nella procedura standard di fabbricazione dei materiali IPMC, in modo da migliorarne le prestazioni in termini di ripetibilità e forza sviluppata;
2. proporre strategie innovative per la caratterizzazione elettromeccanica e la modellizzazione, orientata al controllo, di componenti IPMC sia come sensori che come attuatori;
3. sviluppare strategie di controllo distribuito per sistemi di movimentazione concepiti con componenti IPMC;
4. identificare procedure standard per la progettazione e la caratterizzazione di sistemi integrati costruiti dall' assemblaggio di componenti IPMC;
5. realizzazione di prototipi e validazione delle prestazioni ottenute.

Inoltre e' prevista la possibilita' di trasferimento delle tecnologie adottate, sia per quanto riguarda i materiali utilizzati che gli strumenti sviluppati, verso piccole e medie imprese operanti nei settori della sensoristica e dello sviluppo di nuovi sistemi di attuazione e di controllo.

Per raggiungere i precedenti obbiettivi verranno adottate procedure metodologiche innovative.
In particolare, relativamente al primo punto si studieranno gli effetti degli agenti disperdenti (additivi) e della loro concentrazione nel corso dei processi riduttivi per arrivare ad un'ottimizzazione della densità di forza degli IPMC; si proveranno processi di co-riduzione per ridurre i costi dovuti all'utilizzo di metalli nobili nei processi di produzione degli IPMC; si produrranno dei compositi metallo-polimero ionico tridimensionali.
Per quanto concerne il secondo punto i modelli nonlineari dei componenti IPMC saranno ottenuti integrando modelli circuitali specifici con tecniche di identificazioni NARMAX utilizzando dati sperimentali ottenuti da test progettati ad hoc. Per la caratterizzazione dei prototipi costituiti da componenti IPMC verranno messi a punto i seguenti strumenti di misura
con riferimento all'attuatore:
- circuiti di condizionamento per la sua attivazione;
- strumenti per la misura della corrente assorbita e della deformazione e/o forza prodotta. I rilevatori di deformazione dovranno essere in grado di misurare spostamenti che vanno dai decimi di millimetro ai centimetri a frequenze comprese fra le centinaia di milliHertz e le centinaia di Hertz, con la specifica del basso costo. Per le misure di forza sarà necessario utilizzare delle celle di carico di precisione, ad alta sensibilità;
con riferimento al sensore:
- circuiti di condizionamento;
- eccitatori meccanici sia a contatto che non invasivi per imporre la deformazione;
- rilevatori di stress meccanico, con cui il sensore viene sollecitato nei vari test, e della tensione che esso sviluppa come effetto della deformazione, anche in questo caso con la specifica di basso costo.
In entrambi i casi bisogna prevedere la possibilità di collezionare una serie di dati da cui, a mezzo di elaborazione software, si possano ricavare, per misure indirette, tutte le informazioni necessarie alla completa comprensione delle caratteristiche degli IPMC, come ad esempio: banda passante, tempi di risposta, eventuali fenomeni di risonanza meccanica e/o elettrica, massima tensione sopportabile, massima tensione sviluppabile, massima deformazione e/o forza generabile.
Per il terzo punto, ci si propone di sviluppare metodologie di controllo di sistemi costituiti da reticoli di componenti IPMC in cui ognuno di questi componenti può essere utilizzato sia come sensore che come attuatore mediante opportune commutazioni del sistema di controllo. Per perseguire tale obbiettivo è necessario uno studio preliminare su alcuni aspetti della modellistica dei singoli componenti IPMC.
Tenuto conto che i sistemi completi di movimentazione basati su dispositivi IPMC verranno realizzati integrando componenti che costituiscono lo scheletro, gli attuatori ed i sensori, ci si orientera' a sviluppare un sistema di conrollo distribuito basato su CNN configurate per la generazione di auto-onde e di pattern di movimentazione per le specifiche applicazioni del sistema proposto. Verra' pertanto verificata la possibilità di utilizzare una strategia gia' validata dai proponenti per tali scopi su strutture realizzate utilizzando materiali innovativi.
Il quarto punto verrà raggiunto mediante la realizzazione di un ambiente di sviluppo software per la simulazione di sistemi integrati IPMC, con particolare riferimento alla relazione tra campo elettrico e spostamenti (o forze), nelle due modalità di funzionamento (sensore o attuatore). I modelli matematici verranno incorporati in un adeguato strumento informatico. Lo strumento software, oltre a costituire un utile ambiente di simulazione per la valutazione delle prestazioni di strutture esistenti, fornirà un valido strumento di progettazione e di sviluppo di prototipi per la valutazione dell'influenza dei parametri di progetto sulle prestazioni della struttura stessa, senza procedere ad ogni tentativo alla realizzazione fisica della struttura stessa.

A conclusione verranno sviluppati i seguenti prototipi:
- sistema per il controllo delle vibrazioni o delle deformazioni di strutture leggere;
- sistema robotico tipo nematode, in cui gli IPMC costituiscono sia lo scheletro che gli attuatori;
- sistemi reticolari di sensori ed attuatori IPMC;
- applicazioni dimostrative di robot marini e sottomarini.

Seminari e Workshop verranno organizzati perdisseminare l'attività svolta, coinvolgendo le piccole, medie e grandi imprese presenti sul territorio nazionale, con cui le unità di ricerca partecipanti al progetto hanno rapporti di collaborazione. I risultati raggiunti verranno presentati in conferenze nazionali e/o internazionali e pubblicati su riviste scientifiche.

Gli aspetti innovativi del progetto possono essere così sintetizzati:
- definizione delle caratteristiche specifiche di componentistica basata su IPMC e caratterizzazione standardizzata di questi ultimi sia come sensori che come attuatori;
- modellizzazione orientata al controllo di sistemi integrati complessi, ovvero costituiti dall'interconnessione di più componenti IPMC;
- strategie di controllo distribuito basato su sistemi bio-ispirati applicate a strutture IPMC;
- integrazione completa di materiali IPMC per quanto riguarda le specifiche meccaniche di attuazione e di sensing nel contesto della progettazione di sistemi integrati di movimentazione. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Negli ultimi decenni grande interesse si è sviluppato verso il progetto e la realizzazione di sensori ed attuatori di movimento da includere nel corpo umano. Tale applicazione impone una serie di vincoli ai dispositivi: il livello dell'alimentazione, la biocompatibilità, la leggerezza, etc. Diversi campi di ricerca come ingegneria, biomedicina, robotica, stanno investendo grosse somme di denaro e tempo nello studio di nuovi materiali che possano soddisfare le richieste di leggerezza, biocompatibilità, velocità. Inoltre essi devono essere attivati da basse tensioni, a basso consumo di potenza, sviluppare adeguate forze, capaci di lavorare in ambienti umidi. I materiali disponibili sul mercato non soddisfano la maggior parte di questi requisiti. Una valida alternativa è data dai polimeri elettro-attivi (EAP). La struttura chimica di questi materiali intelligenti permette loro di deformarsi sotto l'effetto di un campo elettrico. Gli EAP lavorano anche in modo inverso: generano una tensione se sollecitati meccanicamente. I due fenomeni fanno degli EAP buoni candidati come sensori ed attuatori innovativi. Agli EAP appartengono gli IPMC (Ionic Polymer Metal Composites), membrane di polimeri ionici con metallo nobile depositato su entrambe le superfici. Gli IPMC emergono per la loro semplice procedura di fabbricazione, la possibilità di essere tagliati in ogni forma e dimensione, la loro leggerezza, le ampie deformazioni a fronte di tensioni di attivazione molto basse. In più gli IPMC possono lavorare in ambienti umidi [1-8].
A dispetto di tutti questi pregi gli IPMC sono ancora ad uno stadio basilare di conoscenza, perché la procedura di fabbricazione a disposizione non permette di ottenere campioni ripetibili né in grado di sviluppare forze ad un livello utile per le applicazioni pratiche. Per quanto concerne la loro modellizzazione, in letteratura sono disponibili solo modelli incompleti e questo è da ostacolo per la realizzazione di un controllo per forzare la risposta di un attuatore IPMC. Anche per il sensore IPMC vi è carenza di modelli.
La membrana polimerica che costituisce il substrato degli IPMC è spessa tipicamente 200 micrometri, con metallo depositato da entrambi i lati a formare gli elettrodi. Lo strato di metallo deposto può variare in un intorno di alcuni micron. Il substrato polimerico è una membrana di acido solforico o carboxilico perfluorinato; nel primo caso trattasi di Nafion® prodotto dalla Dupont®, nel secondo caso di Flemion®, prodotto da Asahi Glass®, e di Aciplex® prodotto da Asahi Chemical® [9]. Le membrane polimeriche del secondo tipo sono molto difficili da reperire, quindi gli IPMC basati sul Nafion® sono molto più diffuse. Gli elettrodi metallici sono realizzati con metallo nobile, solitamente platino o oro. Fino ad oggi gli IPMC sono stati prevalentemente utilizzati come elettroliti solidi nelle celle a combustibile [10][11][12]. Grazie alla loro struttura chimica possono spostare gli ioni da un elettrodo all'altro, sotto l'effetto di un campo elettrico, come un normale elettrolita, ma hanno il vantaggio di lavorare in un ampio intervallo di temperature, con una maggiore durata e con dimensioni minori. E' recente la scoperta delle proprietà elettromeccaniche degli IPMC, ecco perché la relativa letteratura è ad un livello base. Tuttavia vi è già abbastanza per dare un'idea delle capacità potenziali di questi nuovi materiali come attuatori e sensori di movimento.
I polimeri ionici, che costituiscono il cuore degli IPMC, sono macromolecole con una parte fissa nel reticolo polimerico ed una parte debolmente legata al resto. Quest'ultima può essere un gruppo ionico. Il legame fra le due parti si scinde facilmente fornendo una minima quantità di energia. A temperatura ambiente quasi tutti i legami sono rotti quindi gruppi ionici di piccole dimensioni sono liberi di muoversi all'interno del reticolo. Inoltre i polimeri ionici hanno capacità di assorbire solvente tipo acqua, le cui molecole possono legarsi con gli ioni mobile. Il contenuto idrico gioca un ruolo importante nella deformazione degli IPMC. Nel seguito si farà riferimento a IPMC basati su Nafion®. Il Nafion® è un polimero ionico prodotto in diversi formati: membrane, cristalli, resina e reagente liquido. La sua formula chimica è riportata in Fig.1.



Figure 1. Formula chimica del Nafion®

La struttura del Nafion® è simile a quella del Teflon® , ma mentre il Teflon® è una fra le sostanze più idrofobiche, il Nafion® è fra le più idrofile[13]. Esso assorbe rapidamente acqua, anche a temperatura ambiente, in modo proporzionale al numero di gruppi solforici. Questi gruppi, essenzialmente immobili, possono ionizzarsi sotto l'effetto del campo elettrico; in questo caso lo ione idrogeno H+ è libero di muoversi all'interno del polimero, verso le regioni a potenziale più basso.
Per ottenere un IPMC e sufficiente depositare il metallo sulle superfici del Nafion® . La deposizione non è facile a causa dell'antiadesione delle fibre esterne del Nafion®.
La procedura base per la fabbricazione di IPMC consta di tre passi fondamentali [14]:
1. scambio ionico fra ioni idrogeno e ioni platino;
2. riduzione;
3. diffusione di ioni con numero di idratazione maggiore dell'idrogeno (ioni sodio Na+, ioni litio Li+, etc.).
Prima di eseguire questi passi, le membrane vanno pulite per eliminare possibili impurità.
Diversi studi hanno avuto come oggetto la deposizione metallica su Nafion® e molti sono in corso [9] [15] [16].
La qualità degli elettrodi dipende dalla bontà della deposizione: migliori sono gli elettrodi, migliori saranno le prestazioni del materiale, maggiore la sua durata di funzionamento con una più alta efficienza.
Questa procedura di fabbricazione, adottata dai gruppi di ricerca che lavorano con gli IPMC, è disponibile on-line sul sito del JPL [17].
Al termine di tale procedura la membrana di Nafion® ha uno strato metallico depositato sulla superficie e ioni Na+ legati ai gruppi solforici al posto dell'idrogeno H+. Inoltre, durante il processo di deposizione il substrato polimerico assorbe molecole d'acqua ed il suo volume risulta notevolmente aumentato. Le molecole d'acqua occupano le regioni idrofile dove si legano in modo parassita agli ioni mobili. L'IPMC così ottenuto, dopo essere tagliato in strisce di dimensioni opportune, può lavorare sia come attuatore che come sensore di movimento.
Quando si applica una tensione sullo spessore di una striscia IPMC, la striscia si piega verso l'anodo e la deformazione aumenta con l'ampiezza della tensione applicata. I fenomeni coinvolti nella deformazione sono due: il trasporto delle molecole d'acqua e l'interazione fra cariche. Il primo è fortemente legato agli ioni liberi di muoversi, mentre il secondo dipende dalle cariche distribuite sugli elettrodi. Supponendo di imporre una tensione sull'IPMC, in configurazione a trave vincolata, gli ioni sodio (o in generale I cationi mobili), seguendo il campo elettrico, si spostano verso il catodo, trasportando in modo parassita le molecole d'acqua. Questo trasporto di acqua causa una espansione del catodo, mentre la regione anodica risulta contratta. Il risultato è il piegamento della striscia verso l'anodo. Maggiore è la concentrazione ionica, maggiore è il numero di molecole d'acqua che vengono spostate, maggiore sarà la deformazione risultante [18]. Se la tensione applicata è costante, la deriva elettrica dei cationi produce un gradiente di concentrazione che genera una conseguente diffusione delle molecole d'acqua verso l'interno della membrana (la corrente di diffusione dei cationi è bilanciata dalla corrente di deriva dovuta al campo elettrico). L'effetto macroscopico è il parziale rilassamento dell'IPMC che prosegue finché la distribuzione di molecole d'acqua non risulta uniforme [18].
Se la tensione applicata è tempo variante, per esempio una tensione sinusoidale, la striscia inizia ad oscillare e la deformazione massima dipende sia dall'ampiezza che dalla frequenza del segnale di ingresso [19]. L'attuatore IPMC ha una buona risposta a bassa frequenza; alle alte frequenze l'inerzia dei cationi, aumentata dalle molecole d'acqua, non permette loro di seguire rapide variazioni del segnale. E' stato trovato sperimentalmente che l'intervallo di frequenze in cui la deformazione dell'IPMC è apprezzabile va da 0 a 30 Hz. Per frequenze più alte alcuni studi mostrano una notevole riduzione della deformazione [20].
Il secondo contributo alla deformazione è dovuto alle interazioni coulombiane fra cariche sugli elettrodi metallici e cariche fisse nella matrice polimerica. La natura porosa del Nafion® fa si che il metallo depositato penetri all'interno della membrana, formando degli elettrodi dendritici [21]. La tensione esterna carica questi dendriti che tendono a respingersi l'uno con l'altro, causando una espansione dell'elettrodo. La carica negativa dei gruppi solforici della catena polimerica amplifica questo fenomeno repulsivo vicino al catodo, mentre lo attenua all'anodo. L'effetto globale è un'ulteriore espansione del catodo, come mostrato in Fig. 2.
Per riassumere, ci sono due diversi meccanismi coinvolti nella deformazione degli IPMC sottoposti a tensione: il trasporto di acqua da parte degli ioni mobili e l'effetto degli elettrodi dendritici. Il primo dipende criticamente dal livello di idratazione della membrana, dalla concentrazione di ioni mobili e dal tipo di ione mobile. Il secondo, inerente la fisica del materiale, è fortemente legato alla qualità degli elettrodi.



Figura 2. I due meccanismi coinvolti nella deformazione di un IPMC sottoposto a tensione: il trasporto di acqua dap arte degli ioni mobile e l'effetto degli elettrodi dendritici.

Se un attuatore IPMC è scarsamente idratato, il numero di molecole d'acqua trasportate da ogni ione mobile può essere inferiore rispetto alla sua capacità massima e ciò riduce il contributo relativo al trasporto d'acqua . Di conseguenza, le prestazioni di un campione disidratato degradano. Le cause principali di disidratazione sono: evaporazione ed elettrolisi. Mentre il processo di evaporazione avviene anche in assenza di tensione applicata, l'elettrolisi si attiva solo se l'IPMC è soggetto ad una tensione esterna ed è il principale responsabile della perdita d'acqua [22]. Quando una tensione DC è applicata agli elettrodi di un IPMC, l'acqua al suo interno si dissocia. Il potenziale di dissociazione dell'acqua (WDP) è 1.23V, quindi quando la caduta di tensione sull'IPMC supera 1.23V, la maggior parte del contenuto idrico lascia la membrane sottoforma gassosa di idrogeno ed ossigeno; il processo è agevolato dalla struttura porosa del substrato polimerico e dalla deposizione metallica granulosa [20]. Come riportato in letteratura [5] [7] [20], gli attuatori IPMC garantiscono grandi deformazioni solo se attuati da tensioni maggiori di WDP, quindi la disidratazione causata dall'elettrolisi non può essere eliminata. Una soluzione innovativa è stata sviluppata nel 1998 da Bar-Cohen e dal suo gruppo di ricerca al Jet Propulsion Laboratory-NASA [23] [24]; consiste in un rivestimento protettivo che impedisce alle molecole d'acqua dissociate di abbandonare il polimero. Sia il tipo che la tecnica di rivestimento sono coperte da brevetto, procedure alternative sono di interesse. Una riduzione della perdita di solvente si può ottenere con una deposizione di platino densa ed uniforme, in modo da evitare il passaggio dell'acqua attraverso gli elettrodi.
Quando un IPMC è immerse in acqua, esso è in grado di assorbirla, compensando le perdite, in un tempo abbastanza breve. Quindi i fenomeni di disidratazione non riguardano le applicazioni IPMC in cui l'attuatore è immerse in acqua o lavora in ambienti umidi. La stabilità chimica del Nafion® rende difficile ottenere l'adesione del metallo sulla sua superficie. Per questo motivo ogni tentativo di utilizzare metodi di deposizione tradizionali è risultato vano (sputtering, deposizione galvanica,...). Il metodo di deposizione chimica descritto permette di ottenere risultati soddisfacenti con bassi costi. Durante la fase di riduzione le particelle di platino, il cui diametro medio è 5 nm, coagulano prima di depositarsi sulla superficie del Nafion®, formando degli aggregati, il cui diametro può raggiungere 50 nm [25]. Questi aggregati di platino causano la formazione di diverse discontinuità, dando agli elettrodi una struttura porosa e non uniforme. La formazione di aggregati platinici può essere ridotta usando agenti disperdenti che ritardano la coagulazione del platino permettendo di ottenere una deposizione metallica in cui le particelle di platino hanno un diametro di circa 5 nm. L'additivo riportato in letteratura [25] è il Polyvinilpyrrolidone (PVP).
La deposizione platinica deve soddisfare anche requisiti elettrici per realizzare elettrodi di qualità. La resistenza della deposizione metallica deve essere più bassa possibile, in modo da avere la minima caduta di tensione sugli elettrodi e quindi la massima efficienza. Se la resistenza di elettrodo ha un valore elevato, ci saranno grosse cadute di tensione lungo gli elettrodi dell'IPMC, di conseguenza solo la regione prossima ai contatti elettrici, dove la tensione viene applicata, sarà in grado di piegarsi.
La deformazione degli IPMC è un processo reversibile [7], essi possono essere usdati come sensori di movimento, condizionando opportunamente i segnali di uscita. Piegando il materiale è possibile variare la distribuzione di cariche al suo interno, rispetto all'asse neutro ( Fig. 3): lo stress applicator farà contrarre un lato della membrane espandendo l'altro, di conseguenza gli ioni mobili si sposteranno dalla regione a maggiore densità di carica a quella a densità minore.




Figura 3. Effetto dello stress applicato ad un IPMC sulla distribuzione di cariche

Un deficit di cariche negative ed un eccesso di quelle positive si verificherà sul lato espanso, mentre dal lato opposto accadrà il contrario. E' intuitivo come questa proprietà possa essere tradotta in capacità sensoriale [26].
Per quanto riguarda la modellizzazione dell'attuatore, un IPMC può essere schematizzato come un sistema SISO in cui l'ingresso è la tensione applicata sullo spessore e l'uscita è la deformazione. Da un punto di vista ingegneristico esistono diversi modi di rappresentare la relazione fra la tensione in ingresso e la deformazione in uscita. Per esempio può essere fatto con due staid intermedi:
- stadio elettrico: la tensione applicata agli elettrodi è tradotta in un opportuno flusso di corrente attraverso la membrane polimerica;
- stadio meccanico: la corrente attraverso la membrane produce delle forze interne che vengono tradotte nella deformazione macroscopica.
In letteratura sono riportati diversi circuiti equivalenti che modellizzano lo stadio elettrico [27] [28]. Ma vi sono anche diversi modelli che descrivono il comportamento globale degli attuatori IPMC [29] [30]. Al momento i modelli sviluppati sono o troppo complessi da potere utilizzare nelle applicazioni pratiche o troppo approssimati per avere valore scientifico.
A conoscenza degli autori non ci sono risultati rilevanti riguardo alla modellizzazione del sensore.
Diversi centri di ricerca nel mondo stanno testando le capacità degli IPMC realizzando diverse applicazioni dimostrative. Al JPL-NASA hanno realizzato il prototipo di una spazzola da montare su di una lente di una videocamera per missioni spaziali [35]. Un sito commerciale in Giappone propone un pesce giocattolo la cui coda è attuata da IPMC [36]. C'è anche chi ha costruito una mano prensile le cui dita sono fatted a IPMC [37]. Una raccolta di lavori su applicazioni di IPMC da laboratorio è riportata nella bibliografia [37][38][39].
Alcuni centri di ricerca sugli IPMC sono riportati in [40]. <<<