Investigation on a graded metamaterial for energy harvesting and actuation

In this thesis, rainbow trapping capability of graded metamaterials has been exploited in the fields of energy harvesting and actuation. The main issue of the PEH device is the interface between the mechanical system and the electrical components, being this origin of the nonlinear mechanical behaviour. Efforts have been concentrated in developing a complete theoretical lumped parameters model which better reproduces the real behaviour of the system, in terms of transmissibility, displacements, open-circuit voltage and harvested power, by implementing and comparing different modelling techniques. The experimental campaign has been devoted to the harvested power calculation, the measurement of the mechanical and electrical parameters and of the characteristics of the metamaterial such as transmissibility and dispersion relation and, eventually, the evaluation of the efficiency of the system. Experiments show results aligned with the previous studies carried out by Zhao et al. in terms of harvested power and of efficiency and completes the investigation by obtaining the power from six resonators over fifteen. Chapter 4 aims at the characterization of a graded metamaterial for the robot actuation. Based on the Brushbot idea, Metabot points at exploiting the phenomenon of rainbow trapping of the graded metamaterial to enhance frequency-controlled movement excited by means of a piezoelectric actuator. Experiments on the robot aimed at explore the possibilities of movement of the Metabot and at the evaluation of the mechanical parameters of the resin. Even though the experimental campaign doesn't show good results in terms of the capability of self movement of the robot, caused by the high damping and nonlinearity of the employed material, encouraging results have been obtained by a finite element theoretical model that conjugates the kinematics of Brushbot with the rainbow trapping effect of metamaterials.

In questa tesi, la capacità di "Rainbow Trapping" dei metamateriali graduati è stata sfruttata nei campi di "Energy Harvesting" e attuazione. Il problema principale del dispositivo PEH è l'interfaccia tra il sistema meccanico e i componenti elettrici, essendo questa l'origine del comportamento meccanico non lineare. Gli sforzi si sono concentrati nello sviluppo di un modello teorico a parametri concentrati completo che riproduce meglio il comportamento reale del sistema, in termini di trasmissibilità, spostamenti, tensione a circuito aperto e "harvested energy", implementando e confrontando diverse tecniche di modellazione. La campagna sperimentale è stata dedicata al calcolo della potenza raccolta, alla misurazione dei parametri meccanici ed elettrici e delle caratteristiche del metamateriale come la trasmissibilità e la relazione di dispersione e, infine, alla valutazione dell'efficienza del sistema. Gli esperimenti mostrano risultati allineati con gli studi precedenti condotti da Zhao et al. in termini di "harvested energy" e di efficienza e completano l'indagine ottenendo la potenza da sei risonatori su quindici. Il Capitolo 4 mira alla caratterizzazione di un metamateriale graduato per l'attuazione del robot. Basato sull'idea del Brushbot, Metabot punta a sfruttare il fenomeno del "Rainbow Trapping" del metamateriale graduato per migliorare il movimento controllato dalla frequenza eccitato tramite un attuatore piezoelettrico. Gli esperimenti sul robot miravano a esplorare le possibilità di movimento del Metabot e alla valutazione dei parametri meccanici della resina. Anche se la campagna sperimentale non mostra buoni risultati in termini di capacità di auto-movimento del robot, a causa dell'elevato smorzamento e della non linearità del materiale impiegato, risultati incoraggianti sono stati ottenuti da un modello teorico agli elementi finiti che coniuga la cinematica del Brushbot con l'effetto di "Rainbow Trapping" dei metamateriali.