Design of a peristaltic micropump actuated by SMA wires

This elaborate is discussing the design of a linear peristaltic micropump which is intended to be used as an insulin pump for type 1 diabetes treatment. The key novelty of this linear micropump, also defined in literature as finger-pump, is the actuation mechanism: shape memory alloy wires technology has been used to control the position of the pressing elements, which are responsible for the fluid motion. The thesis is treating the structural design of a prototype, that has been sized in comparison with the actual insulin pumps on the market. Then, the electronic scheme has been designed to allow the control of the pump using an Arduino Due board. Then, using Matlab&Simulink, it has been designed a desaturated PID controller for the position control of the pressing elements. A final testing phase has been conducted to verify the step responses for the different positioning values going from 100 um to 1000 um. Then, the flow rates have been evaluated and the flow rates characteristic curve has been drawn in function of the piston positioning. Minimum and maximum flow rates of the pump have been evaluated, obtaining a minimum of 0.12 ul/hr and a maximum of about 800 ul/hr. The most important requirements of the pump have been verified, and great results have been obtained in the flow rates. The satisfying results of the prototype could lead to the realization of a final insulin pump, that would include an integrated PCB, a battery for a power supply and an external case for isolation from the external environment. Moreover, with some modification in the design, it would be possible to apply this pump in other fields, such as precise dosing. The elaborate has been developed in collaboration with Dolphin Fluidics, a company of the group Fluid-O-Tech specialized in shape memory alloy technology and in its application for the actuation of smart valves.

Il seguente elaborato tratta la progettazione di una micropompa peristaltica lineare, destinata a divenire una pompa insulinica per il trattamento di pazienti diabetici di tipo 1. La principale innovazione in questo tipo di pompa, definita in letteratura come "finger-pump" è la tecnologia utilizzata per il meccanismo di attuazione: fili in lega a memoria di forma, nello specifico in nitinol, sono stati utilizzati per controllare la posizione di premitori, responsabili della compressione del tubo e, di conseguenza, del moto del fluido. La tesi tratta inizialmente la progettazione strutturale di un prototipo, le cui dimensioni sono state confrontate con le attuali pompe insuliniche in commercio. Successivamente ci si è dedicati alla progettazione dell'elettronica di controllo della pompa, che avviene attraverso una scheda Arduino Due. Utilizzando Matlab&Simulink è stato poi implementato un regolatore PID variabile con desaturazione per controllare la posizione dei premitori. Infine è stat condotta una fase di test, verificando la risposta al gradino per diversi valori di posizionamento, che vanno dai 100 um fino ai 1000 um. E' stata poi tracciata la curva caratteristica per le portate ottenibili dalla pompa in funzione dello spostamento imposto. Infine, dopo un breve calcolo del volume spostato per ogni singolo ciclo, sono state definite le minime e massime portate ottenibili dalla pompa, che spaziano dai 0.12 ul/hr fino a circa 800 ul/hr. I requisiti più importanti della pompa, ovvero portate e dimensioni, sono stati verificati, ottenendo ottimi risultati in termini di portata. Tali risultati suggeriscono la possibilità di realizzare una pompa insulinica a partire dal prototipo sviluppato: in tal caso sarebbe necessario integrare una PCB, una batteria per l'alimentazione della pompa e un guscio protettivo per il contenimento della struttura vera e propria della pompa e per l'isolamento della pompa dall'ambiente esterno. Infine, data la precisione di portata, sarebbe possibile applicare la pompa anche in altri settori, come ad esempio un dosaggio di precisione. Il prototipo è stato sviluppato in collaborazione con Dolphin Fluidics, azienda del gruppo Fluid-O-Tech specializzata nella tecnologia di leghe a memoria di forma e nella loro applicazione per la realizzazione di valvole intelligenti.