Matrix functionalisation and innovative control schemes as methods to optimise actuation in SMA/elastomer soft systems

The present research project aims to investigate different methods to optimise the functionality of soft actuators based on Shape-Memory Alloys (SMA). This class of actuators, deemed of interest for their compactness, bio-compliance and high energy density, generally display limitations particularly in the bandwidth (cycling frequency) and controllability, due to heat-transfer-related effects. This research consists in a thorough study of the interaction between the SMA active element and an enveloping elastomeric matrix that serves as an interface towards the external environment. The main research question is whether and how functionalising the matrix and establishing specialised control schemes that take the matrix into account may serve to improve SMA-based actuation. The methods include different models ranging from lumped-parameter to multi-physical finite element (FEM) ones, developed to gain insight in the complex interplay of material properties, physical dimensions and control strategies that determines the rates of heating and cooling of the system. The thesis also describes a method to produce and characterise poly-dimethylsiloxane (PDMS) rubber modified with graphene showing the effectiveness of carbon fillers in adjusting heat transport properties for this application. Finally, the work reports about the design, fabrication and testing of an operational SMA/elastomer actuator (a gripper) as a proof-of-concept of applicability of matrix functionalisation in optimising the working characteristics of SMA in soft actuators. In conclusion, the thesis demonstrates that the role of the matrix is very important in SMA/elastomer soft actuators. The dependency of the actuator functionality on material properties such as heat conductivity is not simple, but is strongly mediated by the relative dimension of the components and the control strategy plays a fundamental part in establishing the dynamic working properties of the system. Matrix functionalisation with graphene is feasible and can be effectively integrated in designs as a means to optimise actuation. It is hoped that in future these results will prove robust in the design of optimised soft actuators for a whole range of different uses.

Il presente progetto di ricerca si propone di studiare diversi metodi per ottimizzare la funzionalità di attuatori morbidi basati su leghe a memoria di forma (SMA). Questa classe di attuatori, ritenuti interessanti per la loro compattezza, bio-conformità e alta densità di energia, presentano generalmente limitazioni in particolare nella larghezza di banda (frequenza di ciclaggio) e nella controllabilità, a causa degli effetti legati al trasferimento di calore. Questa ricerca consiste in uno studio approfondito dell'interazione tra l'elemento attivo SMA e una matrice elastomerica avvolgente che funge da interfaccia verso l'ambiente esterno. La principale domanda di ricerca è se e come la modifica della matrice e la creazione di schemi di controllo avanzati che tengano conto della matrice possano servire a migliorare l'attuazione basata sulle SMA. I metodi includono diversi modelli, da quelli a parametri concentrati a quelli a elementi finiti multifisici (FEM), sviluppati per ottenere informazioni sulla complessa interazione tra le proprietà dei materiali, dimensioni fisiche e strategie di controllo che determinano le velocità di riscaldamento e raffreddamento del sistema. La tesi descrive anche un metodo per produrre e caratterizzare il polimero polidimetilsilossano (PDMS) modificato con grafene, che mostra l'efficacia dei riempitivi di carbonio nella regolazione delle proprietà di trasporto del calore per questa applicazione. Infine, il lavoro riporta la progettazione, la fabbricazione e il collaudo di un attuatore SMA/elastomero (una pinza) come prova dell'applicabilità della modifica della matrice nell'ottimizzazione delle caratteristiche di funzionamento della SMA negli attuatori morbidi. In conclusione, la tesi dimostra che il ruolo della matrice è molto importante negli attuatori morbidi SMA/elastomero. La dipendenza della funzionalità dell'attuatore da proprietà del materiale come la conducibilità termica non è semplice, ma è fortemente mediata dalla dimensione relativa dei componenti, e la strategia di controllo gioca un ruolo fondamentale nello stabilire le proprietà di funzionamento dinamico del sistema. La funzionalizzazione della matrice con il grafene è fattibile e può essere efficacemente integrata nei progetti come mezzo per ottimizzare l'attuazione. Si spera che in futuro questi risultati si dimostreranno robusti nella progettazione di attuatori morbidi ottimizzati per un'intera gamma di usi diversi.