Analsi biomeccanica di protesi transtibiali: dai test sulle componenti all'analisi del movimento in pazienti durante postura, cammino e corsa

L’elaborato propone una descrizione generale dei dispositivi protesici transtibiali, dalla storia, al processo di protesizzazione dei pazienti amputati alla struttura costitutiva modulare. Particolare importanza viene, inoltre, conferita all’analisi biomeccanica del movimento, della quale è data descrizione delle tecniche, della strumentazione, e dei risultati che vengono ottenuti nelle indagini di soggetti amputati rispetto alle persone normodotate. Considerazioni sulla biomeccanica di pazienti protesizzati transtibialmente offrono interessanti spunti di riflessione sulle componenti meccaniche, idrauliche ed elettroniche dei dispositivi modulari, delle quali si descrive in modo completo la struttura e il funzionamento, facendo riferimento ai brevetti tecnici più noti. Verranno, infine, riportati risultati di recenti studi e ricerche che evidenziano come l’utilizzo nei moduli prostesici transtibiali di caviglie idrauliche a controllo elettronico dello smorzamento sia la soluzione ottimale per ottenere risultati biomeccanicamente migliori, sia dal punto di vista dell’efficienza del movimento che per quanto riguarda l’equilibrio.

Confronto tra le tecniche XRD e IHD per la misura di tensioni residue

Le rotture a fatica dei componenti sono dovute principalmente alle tensioni di trazione generate da carichi ciclici e variabili nel tempo. Le cricche causate da questo tipo di tensioni possono propagarsi e crescere fino a causare danni catastrofici nel componente. La fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche; in campo aeronautico sono quindi molto diffusi dei trattamenti superficiali che permettono di indurre tensioni di compressione che contrastano quelle di trazione, in modo tale da ritardare o prevenire le rotture dovute al fenomeno della fatica. Esistono diverse tecniche per raggiungere questo risultato e permettere di prolungare la vita a fatica di un componente metallico, la più nota è sicuramente il Laser Shock Peening (LSP). Nel corso degli ultimi anni la maggior parte delle ricerche condotte rispetto a questa tecnica sono state incentrate sugli effetti meccanici che questo trattamento ha sul materiale in modo da determinare la configurazione ottimale per ottenere una distribuzione delle tensioni il più efficace possibile ai fini della vita a fatica; sono state svolte diverse prove sperimentali per studiare il ruolo dei parametri del laser e ottimizzare la procedura del LSP. Tra le tecniche utilizzate per valutare gli effetti del LSP in termini di tensioni residue, spiccano, oltre ai metodi computazionali, l'X-ray Diffraction (XRD) e l'Incremental Hole Drilling (IHD). L'elaborato di tesi qui presentato ha come scopo il confronto tra i livelli di tensioni residue riscontrate all'interno di provini sottili in lega di alluminio, sottoposti a differenti trattamenti laser, attraverso i suddetti metodi XRD e IHD. I risultati, già noti, ottenuti con la tecnica l'XRD sono stati posti a verifica attraverso dei test svolti con l'IHD presso i laboratori MaSTeRLab della Scuola di Ingegneria dell'Università di Bologna.

Accessori per sistemi in cavo nella trasmissione dell'energia elettrica in HVDC: definizione di modelli fisici per la caratterizzazione di materiali isolanti, semiconduttivi e varioresistivi

Lo studio intrapreso si è posto come obiettivo la caratterizzazione dal punto di vista elettrico dei materiali coinvolti nella realizzazione di accessori per applicazioni in HVDC, in particolare mescole isolanti, semiconduttive e varioresistive. La necessità di un lavoro di questo tipo viene giustificata dalla costante espansione dei sistemi in DC nella trasmissione dell’energia elettrica, i quali presentano caratteristiche fisiche che si differenziano sensibilmente da quelle tipiche dei tradizionali sistemi in AC, dunque richiedono componenti e materiali opportunamente progettati per garantire condizioni di servizio sicure e affidabili. L’obiettivo della trattazione consiste nello studio di analogie e differenze tra le proprietà elettriche fornite da prove su diverse configurazioni di provini, nella fattispecie di tipo piano e cilindrico cavo. In primo luogo si studiano i provini di tipo piano al fine di ricavare informazioni basilari sul materiale e sulla mescola che lo costituisce e di prendere decisioni relative al proseguimento dei test. Dopo aver effettuato un sufficiente numero di test su varie tipologie di provini piani e aver riconosciuto le mescole più performanti dal punto di vista elettrico, meccanico e termico, si procede alla realizzazione di provini cilindrici stampati, su cui si intraprendono le medesime misure effettuate per la configurazione piana. Questa seconda fase di caratterizzazione è fondamentale, in quanto consente di verificare che le proprietà già studiate su piastra si conservino in una geometria molto più simile a quella assunta dal prodotto finale evitando di sostenere costi onerosi per la produzione di un accessorio full-size. Il lavoro è stato svolto nel laboratorio elettrico di alta tensione della divisione R&D del gruppo Prysmian di Milano, leader mondiale nella produzione di sistemi in cavo per alte e altissime tensioni.

Sistema di accumulo ad alta densità per un prototipo di MotoStudent Electric

L’obiettivo di questo documento è illustrare quali siano stati i metodi di studio, le soluzioni adottate ed i risultati ottenuti durante la progettazione del sistema di accumulo per il prototipo di motocicletta da corsa elettrica “Alpha Leonis”, con cui la squadra corse dell’Università di Bologna UniBo Motorsport ha partecipato alla V edizione del campionato mondiale studentesco MotoStudent. Inizialmente verrà descritto il contesto della competizione e verranno analizzati i vincoli regolamentari che influiscono sulla realizzazione del componente in oggetto. In seguito verrà mostrata la vera e propria fase di progettazione nella quale, dopo aver effettuato prove di caratterizzazione sulla singola cella, sono stati realizzati gli elementi strutturali ed i sistemi di controllo e monitoraggio. La parola d’ordine in questa fase è “motorsport”, che raccoglie in sé la volontà di creare un componente tecnologicamente all’avanguardia che, oltre a garantire l’autonomia necessaria, ottimizzi il laptime e porti il prototipo in testa alla classifica. È questo il motivo per cui il sistema di accumulo descritto nella seguente trattazione viene definito come “ad alta densità”, ossia con target di energia e potenza per unità di massa superiori alle alternative commerciali attualmente disponibili sul mercato. Infine, per verificare la qualità e l’efficacia del lavoro svolto, verranno descritti i test sul banco a rulli ed in pista che hanno dimostrato il corretto funzionamento del componente e che sono stati sfruttati per completare l’ottimizzazione del sistema di controllo in vista dell’evento finale ad Aragòn Motorland.

Valutazione cinematica 3D di un test per il ritorno allo sport post-lesione di legamento crociato anteriore: confronto tra sistema optoelettronico e sensori indossabili

I sistemi di analisi del movimento sono in continua espansione e vengono sempre maggiormente utilizzati in ambito sportivo e riabilitativo. In particolare, la valutazione delle lesioni di LCA è, attualmente, affidata a procedure classiche, oltre che a strumenti analitici Gold Standard come il sistema optoelettronico. L’utilizzo dei sensori inerziali per l’analisi del movimento è in notevole aumento e sempre più utilizzato anche negli ambiti descritti. Tuttavia, è da valutare l’accuratezza di tali sistemi nell’esecuzione di gesti complessi ad alta dinamica. L’obiettivo del presente elaborato è stato quello di validare un sistema di sensori inerziali tramite uno optoelettronico, per lo svolgimento di specifici task motori in un’ottica di prevenzione dell’infortunio al LCA. Sono stati valutati 30 soggetti sani, attraverso l’utilizzo sincrono di due tecnologie: il sistema optoelettronico Vicon e il sistema inerziale Xsens. I movimenti svolti dai soggetti rientravano in un protocollo per la prevenzione del LCA, sviluppato presso il centro Isokinetic, il quale comprende 6 task ad elevata dinamica, ricorrenti negli sport maggiori. Si è evinta un’ottima correlazione e basso errore per tutti gli angoli articolari analizzati sul piano sagittale, una buona correlazione sul piano frontale per la maggior parte degli angoli (esclusi caviglia e pelvi), ed una minore riproducibilità sul piano trasverso, in particolare negli angoli di caviglia ginocchio e pelvi. I risultati hanno mostrato una scarsa dipendenza dalla tipologia di task analizzato. La tecnologia inerziale ha dimostrato di essere un’ottima alternativa per l’analisi del movimento in task specifici per la valutazione della biomeccanica di LCA. Le discrepanze evinte possono essere riconducibili ai diversi protocolli cinematici utilizzati ed al posizionamento dei markers. Evoluzioni della tecnologia potrebbero migliorare la precisione di questi sensori offrendo informazioni ancor più dettagliate dove ora ci sono lacune.

Nuovo copolimero multiblocco a base di acido polilattico e acido 2,5-furandicarbossilico 100% biobased e compostabile per packaging sostenibile

Questo progetto di tesi sperimentale è incentrato sulla sintesi di un copolimero multiblocco alifatico/aromatico a partire da reagenti aventi origine da fonti rinnovabili. L’applicazione proposta per il prodotto è nell’ambito del packaging sostenibile. E’ stato prima sintetizzato il poli(pentametilene furanoato) idrossil-terminato (PPeF-OH) a partire dall’acido 2,5-furandicarbossilico; esso è stato poi sottoposto ad una reazione di estensione di catena con acido poli-L-lattico (PLLA) parzialmente depolimerizzato. L’innovativa strategia di sintesi utilizzata è in linea con i principi della green chemistry, partendo da building block bio-based ed evitando l’uso di solventi. Il copolimero finale, definito P(LLA50PeF50)-CE, è stato caratterizzato dal punto di vista molecolare, strutturale e termico attraverso, rispettivamente, analisi NMR e GPC, WAXS, TGA e DSC. Sono state anche effettuate prove a trazione, test delle proprietà barriera e valutazione della compostabilità. I risultati dimostrano che la stabilità termica del PLLA è stata migliorata, determinando anche un allargamento della finestra di processabilità del materiale; la rigidità e la fragilità del PLLA sono state ridotte, rendendo il nuovo materiale idoneo alla realizzazione di film per imballaggi flessibili. La permeabilità all’ossigeno del PLLA è stata migliorata del 40% circa e un analogo miglioramento è stato riscontrato anche rispetto all’anidride carbonica. Infine, la compostabilità del PLLA non è stata compromessa.

Algoritmo di stima degli stati di carica e salute per batterie al litio mediante filtro di Kalman duale

L’obiettivo di questa tesi è lo studio dell’applicazione del filtro di Kalman Duale per la stima dei principali parametri di batteria. Si è realizzato un algoritmo che consente la stima del SoC e dei parametri basandosi su riferimenti di tensione provenienti da modelli matematici e da prove di laboratorio. La scelta del Kalman duale consente uno studio più completo dei parametri di batteria visto che permette di operare su circuiti equivalenti più complessi con maggiori informazioni sull’evoluzione della batteria nel tempo. I risultati dimostrano l’efficacia del DEKF nello stimare la tensione e lo stato di carica con errori minori rispetto a precedenti test effettuati con altri filtri di Kalman. Si ha però una difficoltà alla convergenza su alcuni parametri a causa dell’elevato carico computazionale che porta ad un aumento del rumore. Perciò, per studi futuri si dovrà aumentare la precisione con cui la stima duale opera sulla matrice dei parametri del circuito equivalente. Questo porterà a migliori prestazioni anche su circuiti più complessi.

Composizione biochimica di diverse specie microalgali e prove di feeding su Ruditapes philippinarum

L'utilizzo di diete a base di microalghe per l'allevamento di novellame di molluschi bivalvi sta ottenendo sempre maggiore interesse data la crescente domanda di mercato nel settore dell'acquacoltura. Le dimensioni cellulari, la composizione biochimica e la digeribilità della parete cellulare delle microalghe sono fattori fondamentali per la loro applicabilità nell'alimentazione dei bivalvi; anche il contenuto di acidi grassi essenziali quali EPA e DHA ha un ruolo rilevante poiché influenza il tasso di crescita e di sviluppo degli animali. Nel presente studio sono stati utilizzati due ceppi autoctoni della Sacca di Goro del genere Thalassiosira, Pheaodactylum tricornutum, l'alga verde Tetraselmis chui e l'aptofita T-Iso, quest’ultima ampiamente utilizzata nell'alimentazione di diverse specie di molluschi bivalvi. Gli esperimenti condotti hanno permesso di (1) caratterizzare la crescita e la composizione biochimica delle 5 specie microalgali e (2) di analizzare l'applicabilità delle stesse tramite prove di alimentazione su larve e novellame di Ruditapes philippinarum, al fine di ottimizzarne la produzione. I risultati migliori, per numero di sopravvissuti e taglia raggiunta, sono stati ottenuti con larve alimentate con dieta plurispecifica a base di T-Iso e Thalassiosira ceppo A in rapporto 2:1; Thalassiosira ceppo A e P. tricornutum, in diete monospecifiche, sono state identificate come le più appetibili e assimilabili dal novellame, il quale mostra buoni valori del tasso massimo di clearance (2,17±0,25 e 2,27±0,15 L h-1, rispettivamente) e di efficienza di assorbimento del cibo (67 e 46%). Si è trattato di uno studio preliminare volto a verificare eventuali miglioramenti legati all’utilizzo di diete diversificate rispetto a quelle standardizzate di solito impiego; la ricerca di nuove specie algali e ulteriori analisi sulle attuali specie disponibili e sulla loro applicabilità potranno essere utili alla crescita sostenibile del settore dell’acquacoltura.

Caratterizzazione fluidodinamica di reattori agitati meccanicamente tramite tecniche di diagnostica ottica: effetto del comportamento reologico delle fasi.

Il lavoro di tesi si è posto l'obiettivo di studiare il comportamento fluidodinamico di un reattore agitato meccanicamente, scale-down di un digestore anaerobico per la produzione di biogas, attraverso tecniche di diagnostica ottica. Le tecniche utilizzate sono state la Particle Image Velocimetry, PIV, e la Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF. Le prove sono iniziate utilizzando acqua all’interno del reattore e sono proseguite utilizzando una soluzione di acqua e Carbometilcellulosa (CMC) a concentrazione di CMC progressivamente crescente per aumentare la viscosità apparente della soluzione non newtoniana con lo scopo di simulare il più realisticamente possibile la viscosità del contenuto reale del digestore. Tutte le diverse soluzioni sono state indagate per diverse velocità e diversi sensi di rotazione. Le prove di diagnostica ottica sono state progressivamente affiancate da prove al reometro di campioni di soluzione per il calcolo della viscosità apparente. La PIV ha fornito la misura del campo di moto di un piano, è stato scelto di analizzare un piano verticale. Il metodo di diagnostica ottica ho previsto l’utilizzo di quattro componenti: una sezione per il test otticamente trasparente contenente la soluzione inseminata con piccole particelle di tracciante (particelle di argento e vetro cavo) che seguono il flusso, una sorgente di illuminazione pulsata (laser), un dispositivo di registrazione (una telecamera digitale ad alta definizione) ed un software per la cross-correlazione delle immagini acquisite (DynamicStudio). La PLIF è stata implementata per lo studio del tempo caratteristico di miscelazione nel reattore. La strumentazione utilizzata è stata la stessa della PIV con un tracciante diverso a base di Rodhamina-6G. Lo studio ha riguardato il tempo necessario all’omogeneizzazione del tracciante mediante un’analisi del coefficiente di variazione, CoV, delle immagini acquisite.

LoRa Mesh: un caso di studio per la comunicazione tra imbarcazioni da diporto

Il progetto è stato sviluppato con l’idea di creare una rete attraverso la quale imbarcazioni da diporto relativamente vicine (10km), si possano scambiare informazioni sullo stato del mare e della navigazione, anche in assenza di una connessione a internet. In tal modo i dati dell’imbarcazione, come temperatura esterna, temperatura dell’acqua, vento, coordinate gps, AIS ecc... verrebbero condivisi attraverso la rete. In questo progetto è stata sviluppata un'infrastruttura in grado di far comunicare imbarcazioni da diporto su bande non licenziate, utilizzando solo materiale OpenSource, in particolare un protocollo chiamato LoRaMesh. Tale infrastruttura, non basandosi su uno standard definito, ha la possibilità di adattarsi a qualsiasi tipo di dato. Tutto il progetto si basa su schede PyCom, ed è stato sviluppato del codice in grado di fornire uno scambio di dati costante e un’interfacci BLE per comunicare con più dispositivi possibili. Per fornire un’esempio di come ci si può connettere con il BLE è stata scritta un’app per IOS che fornisce varie funzionalità, tra cui la possibilità di inviare dati GPS, molto utile per l’esecuzione dei vari test. Sono state svolte varie prove, in diversi luoghi e condizioni, utili a capire la portata massima dei dispositivi, e come la rete mesh si adatta e ripara.

Caratterizzazione biomeccanica sperimentale di un dispositivo protesico osteointegrato per amputati transfemorali

Le protesi con invasatura per amputati transfemorali sono considerate il gold standard di riferimento. Esse possono indurre numerose problematiche. Per far fronte a ciò sono state sviluppate delle protesi chiamate protesi osteointegrate. Non essendo ancora presenti standard specifici per i test meccanici riguardanti queste protesi, l’obiettivo generale dello studio è stato quello di definire un metodo di prova ripetibile per determinare le proprietà di resistenza di uno stelo protesico osteointegrato e l’interazione dello stelo protesico con l’osso. In particolare, è stata valutata la fattibilità dell’esperimento e la qualificazione dei metodi sperimentali per lo studio della stabilità meccanica e dell’integrità di una protesi per amputati transfemorali. Inoltre, è stata valutata la fattibilità dell’esperimento e la qualificazione dei metodi sperimentali per lo studio delle deformazioni sulla superficie dell’osso con impiantata la protesi. Per il raggiungimento di tale obiettivo sono stati condotti degli studi sulle normative ISO e sui carichi a cui è sottoposto il femore durante lo svolgimento di azioni di vita quotidiana. In seguito, è stato progettato un primo prototipo concettuale di stelo protesico personalizzato da utilizzare per mettere a punto le prove utilizzando un femore composito. Sono state svolte delle prove meccaniche di presso-flessione sul dispositivo protesico e sul dispositivo protesico impiantato nell’osso. Sono state quindi valutate le deformazioni massime sulla superficie dell’osso in corrispondenza dei picchi di carico massimo raggiunto. I metodi definiti per lo svolgimento della prova meccanica sul dispositivo protesico e della prova meccanica sull’osso con il dispositivo impiantato consentono di effettuare delle prove meccaniche ripetibili e riproducibili. Tali prove consentono di valutare la resistenza a fatica dello stelo protesico e le deformazioni superficiali dell’osso nel quale è impiantato.

Caratterizzazione del comportamento a fatica di viti metriche

Nel campo della meccanica uno dei metodi di fissaggio maggiormente utilizzati è il fissaggio per attrito con elementi filettati. Il collegamento tra gli elementi è generato dall’accoppiamento tra i filetti di vite e madrevite, che, una volta precaricati, aderiscono impedendo il movimento reciproco tramite la forza di attrito. Uno dei problemi, però, che si riscontra sull’utilizzo dei giunti filettati è relativo alla resistenza a fatica. Precisamente, gli organi in esame presentano una geometria altamente intagliata: infatti, i filetti, fungono da centri di intensificazione degli sforzi. Per mitigare il fenomeno occorrerebbe diminuire la rigidità della vite, ma ciò comporterebbe un rischio di perdita del precarico con conseguente riduzione di efficacia del collegamento. Si è mostrato, tuttavia, che vi è un possibile metodo alternativo per migliorare la resistenza a fatica delle viti: si è notato che le viti snervate, tramite un serraggio, presentano un limite a vita finita maggiore rispetto a quelle standard. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di oggettivare l’incremento del limite di fatica generato da uno snervamento, verificare l’effettivo miglioramento anche sulla vita infinita e dedurne le motivazioni, mediante prove. A tal fine, sono state prese in considerazione diverse tipologie di provini, nello specifico viti M8 di classe 8.8 e 12.9, per verificare l’influenza della resistenza meccanica sull’incremento del limite. I test prevedono anche una breve parentesi sui benefici portati dall’utilizzo di un dado rialzato, in particolare viene mostrato come l’aumento del numero di filetti in presa vada ad esaltare il fenomeno analizzato. Una volta oggettivato l’aumento di resistenza a fatica e avanzate alcune ipotesi sulle cause del fenomeno, è stato sviluppato un modello agli elementi finiti, con semplificazioni volte a ridurre il tempo di calcolo, al fine di studiare la distribuzione degli stress in fase di serraggio per validare le assunzioni avanzate.

Generazione efficiente di molteplici scenari di compromissione cyber ai fini di test e formazione

Questo lavoro si propone di implementare tre scenari di compromissione informatica tramite l'ausilio della strumentazione fornita da Ansible e Docker. Dopo una prima parte teorica di presentazione delle più recenti vulnerabilità/compromissioni informatiche, si passa all'illustrazione degli strumenti e dell'architettura degli scenari, anche tramite l'ausilio di codice. Tramite la funzione UNIX time si effettua l'analisi di diverse tecniche di distribuzione, dimostrando come l'automazione abbia effettivi e seri vantaggi rispetto ad una continua implementazione manuale, principalmente da un punto di vista temporale e computazionale.

Simulazione numerica di sensori in fibra ottica distribuiti per rilevamento del danno in materiali compositi

Le fibre ottiche sono materiali costituiti al loro interno da fibre di vetro o filamenti polimerici. Esse attualmente trovano grande impiego nel campo della telecomunicazione, ma è assai importante lo sviluppo che stanno ottenendo nel campo del monitoraggio strutturale. L’obiettivo del lavoro descritto in questo elaborato finale è di riuscire a sviluppare un programma in grado di computare una simulazione analitico-parametrica riguardante i segnali restituiti da un sensore in fibra ottica. In particolare, sono stati creati due codici (Codice 1 e Codice 2) per sostenere un Codice Esistente. Quest’ultimo prende in input dei dati sperimentali che, invece di essere ottenuti da prove in laboratorio, sono prodotti in uscita dal Codice 1, il quale simula prove a fatica o statiche in provini di diverso materiale. Attraverso l’analisi di questi dati, il codice finale crea delle curve probabilistiche in grado di asserire con quanta probabilità e con quale confidenza è possibile valutare i risultati esplicitati dallo strumento di rilevazione, che in questo caso è un sensore in fibra ottica. D’altra parte, il Codice 2 analizza le conseguenze nella Probability of Detection e confidenza al variare dei parametri maggiormente influenti nel modello.

Prime prove per la mitigazione in ambito aziendale sull'accumulo di acrilammide in diversi frollini.

L’obiettivo principale di questa tesi è stato lo studio dei fattori che a livello genetico, di formulazione e di processo possono influenzare lo sviluppo di acrilammide nei frollini. L’acrilammide è una sostanza che appartiene alla categoria dei “probabili cancerogeni” per la salute dell’uomo, per cui è necessario cercare di ridurne il contenuto negli alimenti. A livello legislativo, la Commissione Europea ha redatto un regolamento (Reg. UE 2017/2158) nel quale vengono indicate le principali norme e accortezze da seguire a livello aziendale per ridurre la sua presenza negli alimenti. Tramite l’attività di tirocinio svolta presso l’azienda Deco Industrie S. C. R. L. con sede a San Michele (RA) è stato possibile osservare concretamente a livello industriale i problemi legati all’accumulo di acrilammide per alcuni alimenti prodotti. In particolare, l’attenzione dell’azienda durante il periodo di mia permanenza presso la sede è stata rivolta a tre tipi di frollini, considerati i più critici, per i quali è stata monitorata la concentrazione di acrilammide nel tempo, andando a modificare la formulazione della ricetta. Ovviamente questo studio di tesi riporta un primo approccio al problema e rappresenta quindi il punto di partenza per studi futuri più approfonditi con lo scopo di raggiungere una standardizzazione del prodotto con livelli sempre più bassi di acrilammide.