On Designing Compliant Actuators Based On Dielectric Elastomers

Dielectric Elastomers (DE) are incompressible dielectrics which can experience deviatoric (isochoric) finite deformations in response to applied large electric fields. Thanks to the strong electro-mechanical coupling, DE intrinsically offer great potentialities for conceiving novel solid-state mechatronic devices, in particular linear actuators, which are more integrated, lightweight, economic, silent, resilient and disposable than equivalent devices based on traditional technologies. Such systems may have a huge impact in applications where the traditional technology does not allow coping with the limits of weight or encumbrance, and with problems involving interaction with humans or unknown environments. Fields such as medicine, domotic, entertainment, aerospace and transportation may profit. For actuation usage, DE are typically shaped in thin films coated with compliant electrodes on both sides and piled one on the other to form a multilayered DE. DE-based Linear Actuators (DELA) are entirely constituted by polymeric materials and their overall performance is highly influenced by several interacting factors; firstly by the electromechanical properties of the film, secondly by the mechanical properties and geometry of the polymeric frame designed to support the film, and finally by the driving circuits and activation strategies. In the last decade, much effort has been focused in the devolvement of analytical and numerical models that could explain and predict the hyperelastic behavior of different types of DE materials. Nevertheless, at present, the use of DELA is limited. The main reasons are 1) the lack of quantitative and qualitative models of the actuator as a whole system 2) the lack of a simple and reliable design methodology. In this thesis, a new point of view in the study of DELA is presented which takes into account the interaction between the DE film and the film supporting frame. Hyperelastic models of the DE film are reported which are capable of modeling the DE and the compliant electrodes. The supporting frames are analyzed and designed as compliant mechanisms using pseudo-rigid body models and subsequent finite element analysis. A new design methodology is reported which optimize the actuator performances allowing to specifically choose its inherent stiffness. As a particular case, the methodology focuses on the design of constant force actuators. This class of actuators are an example of how the force control could be highly simplified. Three new DE actuator concepts are proposed which highlight the goodness of the proposed method.

Diagnostic techniques for EHD and MHD interaction

The impact of plasma technologies is growing both in the academic and in the industrial fields. Nowadays, a great interest is focused in plasma applications in aeronautics and astronautics domains. Plasma actuators based on the Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) and Electro- Hydro-Dynamic (EHD) interactions are potentially able to suitably modify the fluid-dynamics characteristics around a flying body without utilizing moving parts. This could lead to the control of an aircraft with negligible response time, more reliability and improvements of the performance. In order to study the aforementioned interactions, a series of experiments and a wide number of diagnostic techniques have been utilized. The EHD interaction, realized by means of a Dielectric Barrier Discharge (DBD) actuator, and its impact on the boundary layer have been evaluated by means of two different experiments. In the first one a three phase multi-electrode flat panel actuator is used. Different external flow velocities (from 1 to 20m/s) and different values of the supplied voltage and frequency have been considered. Moreover a change of the phase sequence has been done to verify the influence of the electric field existing between successive phases. Measurements of the induced speed had shown the effect of the supply voltage and the frequency, and the phase order in the momentum transfer phenomenon. Gains in velocity, inside the boundary layer, of about 5m/s have been obtained. Spectroscopic measurements allowed to determine the rotational and the vibrational temperature of the plasma which lie in the range of 320 ÷ 440°K and of 3000 ÷ 3900°K respectively. A deviation from thermodynamic equilibrium had been found. The second EHD experiment is realized on a single electrode pair DBD actuator driven by nano-pulses superimposed to a DC or an AC bias. This new supply system separates the plasma formation mechanism from the acceleration action on the fluid, leading to an higher degree of the control of the process. Both the voltage and the frequency of the nano-pulses and the amplitude and the waveform of the bias have been varied during the experiment. Plasma jets and vortex behavior had been observed by means of fast Schlieren imaging. This allowed a deeper understanding of the EHD interaction process. A velocity increase in the boundary layer of about 2m/s had been measured. Thrust measurements have been performed by means of a scales and compared with experimental data reported in the literature. For similar voltage amplitudes thrust larger than those of the literature, had been observed. Surface charge measurements led to realize a modified DBD actuator able to obtain similar performances when compared with that of other experiments. However in this case a DC bias replacing the AC bias had been used. MHD interaction experiments had been carried out in a hypersonic wind tunnel in argon with a flow of Mach 6. Before the MHD experiments a thermal, fluid-dynamic and plasma characterization of the hypersonic argon plasma flow have been done. The electron temperature and the electron number density had been determined by means of emission spectroscopy and microwave absorption measurements. A deviation from thermodynamic equilibrium had been observed. The electron number density showed to be frozen at the stagnation region condition in the expansion through the nozzle. MHD experiments have been performed using two axial symmetric test bodies. Similar magnetic configurations were used. Permanent magnets inserted into the test body allowed to generate inside the plasma azimuthal currents around the conical shape of the body. These Faraday currents are responsible of the MHD body force which acts against the flow. The MHD interaction process has been observed by means of fast imaging, pressure and electrical measurements. Images showed bright rings due to the Faraday currents heating and exciting the plasma particles. Pressure measurements showed increases of the pressure in the regions where the MHD interaction is large. The pressure is 10 to 15% larger than when the MHD interaction process is silent. Finally by means of electrostatic probes mounted flush on the test body lateral surface Hall fields of about 500V/m had been measured. These results have been used for the validation of a numerical MHD code.

Studio Sperimentale e Modellazione della Separazione di Proteine con Membrane di Affinità

Chromatography represents one of the most important and widely used unit operation in the biotechnology industry. However this technique suffers from several limitations such as high pressure drop, slow mass transfer through the diffusive pores and strong dependence of the binding capacity on flow rate. In this work, affinity membranes with improved capacity have been considered as an alternative technology for the capturing step in antibody manufacturing. Several affinity membranes have been prepared starting from various membrane supports. Different affinity ligands have been utilized like Protein A, the natural ligand of choice for antibodies, as well as synthetic ligands that exhibit affinity for the Fc portion of antibodies. The membranes have been characterized in detail: binding and elution performance was evaluated in adsorption experiments using pure IgG solutions, while membrane selectivity was evaluated using complex solutions like a cell culture supernatant. The most promising affinity membranes were extensively tested in dynamic experiments. The effects of operating parameters like feed concentration and flow rate on separation performances like binding capacity, selectivity and process yield have been studied in detail in order to find the optimal conditions for binding and elution steps. The membranes have been used over several complete chromatographic cycles to evaluate the effects of ageing and of membrane regeneration on dynamic binding capacity. A novel mathematical model is proposed that can describe all the chromatographic steps involved in the membrane affinity chromatography process for protein purification. The mathematical description is based on the species continuity equation coupled with a proper binding kinetic equation, and suitable to describe adequately the dispersion phenomena occurring both in the micro-porous membranes as well as in the extra-column devices used in the system. The model considers specifically all the different chromatographic steps, namely adsorption, washing and elution. The few relevant fitting parameters of the model were derived from a calibration with the experimental affinity cycles performed with pure IgG solutions, then the model is used to describe experimental data obtained in chromatographic cycles carried out with complex feeds as the cell culture supernatant. Simulations reveal a good agreement with experimental data in all the chromatography steps, both in the case of pure IgG solutions and for the cell culture supernatant considered.

Procedura di progettazione di protesi a basso costo per l'arto inferiore

L'attività di ricerca descritta in questa tesi fornisce linee guida per la progettazione di arti protesici inferiori, con particolare riferimento alla progettazione di protesi a basso costo. La necessità di efficienti protesi a basso costo risulta infatti sentita nei Paesi in via di sviluppo ma anche dalle fasce meno abbienti dei paesi occidentali. Al fine di comprendere le strategie adottate dall'apparato locomotorio per muoversi con le protesi sono analizzati il cammino fisiologico, le protesi presenti sul mercato ed infine le modalità con cui le loro prestazioni sono valutate. Con il presente lavoro, dopo aver osservato la presenza di una scarsa strutturazione della metodologia di progettazione che riguarda specialmente il settore del basso costo, si propone una metodologia il più possibile oggettiva e ripetibile tesa ad individuare quali sono gli aspetti essenziali di una protesi per garantire al paziente una buona qualità di vita. Solo questi aspetti dovranno essere selezionati al fine di ottenere la massima semplificazione della protesi e ridurre il più possibile i costi. Per la simulazione delle attività di locomozione, in particolare del cammino, è stato elaborato un apposito modello spaziale del cammino. Il modello proposto ha 7 membri rigidi (corrispondenti a piedi, tibie, femori e bacino) e 24 gradi di libertà. Le articolazioni e l'appoggio dei piedi al suolo sono modellati con giunti sferici. La pianta del piede consente tre possibili punti di appoggio. I criteri di realizzazione delle simulazioni possono comprendere aspetti energetici, cinematici e dinamici considerati come obiettivo dall'apparato locomotorio. In questa tesi vengono trattati in particolare gli aspetti cinematici ed è mostrata un'applicazione della procedura nella quale vengono dapprima identificati i riferimenti fisiologici del cammino e quindi simulato il cammino in presenza di una menomazione al ginocchio (eliminazione della flessione in fase di appoggio). Viene quindi lasciato a sviluppi futuri il completamento della procedura e la sua implementazione in un codice di calcolo.

A study on the fluid dynamics of domestic Gas burners

Domestic gas burners are investigated experimentally and numerically in order to further understand the fluid dynamics processes that drive the cooking appliance performances. In particular, a numerical simulation tool has been developed in order to predict the onset of two flame instabilities which may deteriorate the performances of the burner: the flame back and flame lift. The numerical model has been firstly validated by comparing the simulated flow field with a data set of experimental measurements. A prediction criterion for the flame back instability has been formulated based on isothermal simulations without involving the combustion modelization. This analysis has been verified by a Design Of Experiments investigation performed on different burner prototype geometries. On the contrary, the formulation of a prediction criterion regarding the flame lift instability has required the use of a combustion model in the numerical code. In this analysis, the structure and aerodynamics of the flame generated by a cooking appliance has thus been characterized by experimental and numerical investigations, in which, by varying the flow inlet conditions, the flame behaviour was studied from a stable reference case toward a complete blow-out.

Tecnologie appropriate per la gestione delle georisorse nei paesi in via di sviluppo e nei paesi dell'America Latina. Creazione di una metodologia multi criteria per la valutazione dei progetti di sviluppo umano

Benessere delle popolazioni, gestione sostenibile delle risorse, povertà e degrado ambientale sono dei concetti fortemente connessi in un mondo in cui il 20% della popolazione mondiale consuma più del 75% delle risorse naturali. Sin dal 1992 al Summit della Terra a Rio de Janeiro si è affermato il forte legame tra tutela dell’ambiente e riduzione della povertà, ed è anche stata riconosciuta l’importanza di un ecosistema sano per condurre una vita dignitosa, specialmente nelle zone rurali povere dell’Africa, dell’Asia e dell’America Latina. La natura infatti, soprattutto per le popolazioni rurali, rappresenta un bene quotidiano e prezioso, una forma essenziale per la sussistenza ed una fonte primaria di reddito. Accanto a questa constatazione vi è anche la consapevolezza che negli ultimi decenni gli ecosistemi naturali si stanno degradando ad un ritmo impressionate, senza precedenti nella storia della specie umana: consumiamo le risorse più velocemente di quanto la Terra sia capace di rigenerarle e di “metabolizzare” i nostri scarti. Allo stesso modo aumenta la povertà: attualmente ci sono 1,2 miliardi di persone che vivono con meno di un dollaro al giorno, mentre circa metà della popolazione mondiale sopravvive con meno di due dollari al giorno (UN). La connessione tra povertà ed ambiente non dipende solamente dalla scarsità di risorse che rende più difficili le condizioni di vita, ma anche dalla gestione delle stesse risorse naturali. Infatti in molti paesi o luoghi dove le risorse non sono carenti la popolazione più povera non vi ha accesso per motivi politici, economici e sociali. Inoltre se si paragona l’impronta ecologica con una misura riconosciuta dello “sviluppo umano”, l’Indice dello Sviluppo Umano (HDI) delle Nazioni Unite (Cfr. Cap 2), il rapporto dimostra chiaramente che ciò che noi accettiamo generalmente come “alto sviluppo” è molto lontano dal concetto di sviluppo sostenibile accettato universalmente, in quanto i paesi cosiddetti “sviluppati” sono quelli con una maggior impronta ecologica. Se allora lo “sviluppo” mette sotto pressione gli ecosistemi, dal cui benessere dipende direttamente il benessere dell’uomo, allora vuol dire che il concetto di “sviluppo” deve essere rivisitato, perché ha come conseguenza non il benessere del pianeta e delle popolazioni, ma il degrado ambientale e l’accrescimento delle disuguaglianze sociali. Quindi da una parte vi è la “società occidentale”, che promuove l’avanzamento della tecnologia e dell’industrializzazione per la crescita economica, spremendo un ecosistema sempre più stanco ed esausto al fine di ottenere dei benefici solo per una ristretta fetta della popolazione mondiale che segue un modello di vita consumistico degradando l’ambiente e sommergendolo di rifiuti; dall’altra parte ci sono le famiglie di contadini rurali, i “moradores” delle favelas o delle periferie delle grandi metropoli del Sud del Mondo, i senza terra, gli immigrati delle baraccopoli, i “waste pickers” delle periferie di Bombay che sopravvivono raccattando rifiuti, i profughi di guerre fatte per il controllo delle risorse, gli sfollati ambientali, gli eco-rifugiati, che vivono sotto la soglia di povertà, senza accesso alle risorse primarie per la sopravvivenza. La gestione sostenibile dell’ambiente, il produrre reddito dalla valorizzazione diretta dell’ecosistema e l’accesso alle risorse naturali sono tra gli strumenti più efficaci per migliorare le condizioni di vita degli individui, strumenti che possono anche garantire la distribuzione della ricchezza costruendo una società più equa, in quanto le merci ed i servizi dell’ecosistema fungono da beni per le comunità. La corretta gestione dell’ambiente e delle risorse quindi è di estrema importanza per la lotta alla povertà ed in questo caso il ruolo e la responsabilità dei tecnici ambientali è cruciale. Il lavoro di ricerca qui presentato, partendo dall’analisi del problema della gestione delle risorse naturali e dal suo stretto legame con la povertà, rivisitando il concetto tradizionale di “sviluppo” secondo i nuovi filoni di pensiero, vuole suggerire soluzioni e tecnologie per la gestione sostenibile delle risorse naturali che abbiano come obiettivo il benessere delle popolazioni più povere e degli ecosistemi, proponendo inoltre un metodo valutativo per la scelta delle alternative, soluzioni o tecnologie più adeguate al contesto di intervento. Dopo l’analisi dello “stato del Pianeta” (Capitolo 1) e delle risorse, sia a livello globale che a livello regionale, il secondo Capitolo prende in esame il concetto di povertà, di Paese in Via di Sviluppo (PVS), il concetto di “sviluppo sostenibile” e i nuovi filoni di pensiero: dalla teoria della Decrescita, al concetto di Sviluppo Umano. Dalla presa di coscienza dei reali fabbisogni umani, dall’analisi dello stato dell’ambiente, della povertà e delle sue diverse facce nei vari paesi, e dalla presa di coscienza del fallimento dell’economia della crescita (oggi visibile più che mai) si può comprendere che la soluzione per sconfiggere la povertà, il degrado dell’ambiente, e raggiungere lo sviluppo umano, non è il consumismo, la produzione, e nemmeno il trasferimento della tecnologia e l’industrializzazione; ma il “piccolo e bello” (F. Schumacher, 1982), ovvero gli stili di vita semplici, la tutela degli ecosistemi, e a livello tecnologico le “tecnologie appropriate”. Ed è proprio alle Tecnologie Appropriate a cui sono dedicati i Capitoli successivi (Capitolo 4 e Capitolo 5). Queste sono tecnologie semplici, a basso impatto ambientale, a basso costo, facilmente gestibili dalle comunità, tecnologie che permettono alle popolazioni più povere di avere accesso alle risorse naturali. Sono le tecnologie che meglio permettono, grazie alle loro caratteristiche, la tutela dei beni comuni naturali, quindi delle risorse e dell’ambiente, favorendo ed incentivando la partecipazione delle comunità locali e valorizzando i saperi tradizionali, grazie al coinvolgimento di tutti gli attori, al basso costo, alla sostenibilità ambientale, contribuendo all’affermazione dei diritti umani e alla salvaguardia dell’ambiente. Le Tecnologie Appropriate prese in esame sono quelle relative all’approvvigionamento idrico e alla depurazione dell’acqua tra cui: - la raccolta della nebbia, - metodi semplici per la perforazione di pozzi, - pompe a pedali e pompe manuali per l’approvvigionamento idrico, - la raccolta dell’acqua piovana, - il recupero delle sorgenti, - semplici metodi per la depurazione dell’acqua al punto d’uso (filtro in ceramica, filtro a sabbia, filtro in tessuto, disinfezione e distillazione solare). Il quinto Capitolo espone invece le Tecnolocie Appropriate per la gestione dei rifiuti nei PVS, in cui sono descritte: - soluzioni per la raccolta dei rifiuti nei PVS, - soluzioni per lo smaltimento dei rifiuti nei PVS, - semplici tecnologie per il riciclaggio dei rifiuti solidi. Il sesto Capitolo tratta tematiche riguardanti la Cooperazione Internazionale, la Cooperazione Decentrata e i progetti di Sviluppo Umano. Per progetti di sviluppo si intende, nell’ambito della Cooperazione, quei progetti che hanno come obiettivi la lotta alla povertà e il miglioramento delle condizioni di vita delle comunità beneficiarie dei PVS coinvolte nel progetto. All’interno dei progetti di cooperazione e di sviluppo umano gli interventi di tipo ambientale giocano un ruolo importante, visto che, come già detto, la povertà e il benessere delle popolazioni dipende dal benessere degli ecosistemi in cui vivono: favorire la tutela dell’ambiente, garantire l’accesso all’acqua potabile, la corretta gestione dei rifiuti e dei reflui nonché l’approvvigionamento energetico pulito sono aspetti necessari per permettere ad ogni individuo, soprattutto se vive in condizioni di “sviluppo”, di condurre una vita sana e produttiva. È importante quindi, negli interventi di sviluppo umano di carattere tecnico ed ambientale, scegliere soluzioni decentrate che prevedano l’adozione di Tecnologie Appropriate per contribuire a valorizzare l’ambiente e a tutelare la salute della comunità. I Capitoli 7 ed 8 prendono in esame i metodi per la valutazione degli interventi di sviluppo umano. Un altro aspetto fondamentale che rientra nel ruolo dei tecnici infatti è l’utilizzo di un corretto metodo valutativo per la scelta dei progetti possibili che tenga presente tutti gli aspetti, ovvero gli impatti sociali, ambientali, economici e che si cali bene alle realtà svantaggiate come quelle prese in considerazione in questo lavoro; un metodo cioè che consenta una valutazione specifica per i progetti di sviluppo umano e che possa permettere l’individuazione del progetto/intervento tecnologico e ambientale più appropriato ad ogni contesto specifico. Dall’analisi dei vari strumenti valutativi si è scelto di sviluppare un modello per la valutazione degli interventi di carattere ambientale nei progetti di Cooperazione Decentrata basato sull’Analisi Multi Criteria e sulla Analisi Gerarchica. L’oggetto di questa ricerca è stato quindi lo sviluppo di una metodologia, che tramite il supporto matematico e metodologico dell’Analisi Multi Criteria, permetta di valutare l’appropriatezza, la sostenibilità degli interventi di Sviluppo Umano di carattere ambientale, sviluppati all’interno di progetti di Cooperazione Internazionale e di Cooperazione Decentrata attraverso l’utilizzo di Tecnologie Appropriate. Nel Capitolo 9 viene proposta la metodologia, il modello di calcolo e i criteri su cui si basa la valutazione. I successivi capitoli (Capitolo 10 e Capitolo 11) sono invece dedicati alla sperimentazione della metodologia ai diversi casi studio: - “Progetto ambientale sulla gestione dei rifiuti presso i campi Profughi Saharawi”, Algeria, - “Programa 1 milhão de Cisternas, P1MC” e - “Programa Uma Terra e Duas Águas, P1+2”, Semi Arido brasiliano.