I ricercatori applicano una tensione elettrica e la pellicola polimerica inizia immediatamente a muoversi. Con uno spessore di soli 50 micrometri, questa membrana ultrasottile ha all'incirca lo stesso spessore di un capello umano. Regolando la tensione elettrica applicata, i ricercatori del team del professor Paul Motzki possono far sì che la pellicola esegua potenti movimenti pulsanti, vibri alla frequenza o all'ampiezza desiderate, si alzi e si abbassi con un delicato movimento ondulatorio o mantenga una posizione fissa. Quello che potrebbe sembrare un semplice trucco da festa è, in realtà, la base di una nuova classe di attuatori miniaturizzati.

Grazie alla possibilità di controllare con precisione il movimento della pellicola, è possibile esercitare forze di spinta e di trazione localizzate, generando movimenti che altrimenti richiederebbero motori o sistemi ad aria compressa, entrambi i quali necessitano di spazio, energia e manutenzione. Il team di Saarbrücken sta integrando queste pellicole intelligenti in pompe a vuoto in grado di aspirare aria o liquidi da una camera. Le pompe a vuoto sono onnipresenti e indispensabili in applicazioni industriali che spaziano dalle macchine per l'imballaggio e dalle pinze robotiche alla tecnologia medica.

Creare il vuoto senza aria compressa o motore:
la tecnologia a fogli sviluppata a Saarbrücken elimina la necessità di componenti pesanti e consente la realizzazione di pompe leggere e compatte. "Utilizzando elastomeri dielettrici, come vengono chiamati questi fogli di polimero elettricamente reattivi, possiamo adattare la geometria della pompa a esigenze specifiche. Ciò significa che possiamo creare forme che non sarebbero tecnicamente realizzabili con i metodi convenzionali. Ad esempio, possiamo produrre design estremamente sottili e piatti, paragonabili alla forma di uno smartphone", afferma Paul Motzki, professore di Sistemi di Materiali Intelligenti presso l'Università della Saarland e direttore scientifico e amministratore delegato del Centro di Saarbrücken per la Meccatronica e la Tecnologia di Automazione (ZeMA). Le pompe a fogli funzionano in modo affidabile in ambienti compatti e sensibili. Un vantaggio fondamentale della tecnologia degli elastomeri dielettrici è che non richiede materiali costosi o difficili da reperire come rame o terre rare. Inoltre, poiché funziona senza olio lubrificante, è ideale per camere bianche e ambienti sterili. “A seconda della modalità operativa, le nostre pompe a membrana possono essere anche molto efficienti dal punto di vista energetico”, afferma Motzki. Inoltre, le loro pompe funzionano in modo molto silenzioso, un vantaggio che potrebbe ridurre significativamente i livelli di rumore di fondo nei reparti di produzione e nelle linee di assemblaggio.

Maggiore è il numero di attuatori a film utilizzati, maggiore è la potenza erogata.
Alla Fiera di Hannover di quest'anno, il team di Paul Motzki presenta un nuovo prototipo che illustra come la loro tecnologia possa essere scalata. Il loro ultimo prototipo di pompa per vuoto è dotato di un doppio azionamento. L'anno scorso, il team ha presentato un singolo azionamento a film in una singola camera di pompaggio. Quest'anno, presentano un prototipo a doppio azionamento con due attuatori a film in due camere di pompaggio. “Possiamo collegare i due attuatori in parallelo o in serie, aumentando la pressione, la portata volumetrica e la potenza totale”, spiega Motzki.

I due attuatori a membrana possono funzionare in fasi opposte, con un lato in modalità di aspirazione e l'altro in modalità di mandata. Ciò impedisce cali di prestazioni e consente alla pompa di erogare portate maggiori e una maggiore capacità di pressione, generando un vuoto continuo rapidamente e senza cicli. Il nuovo design a doppio attuatore offre un significativo miglioramento delle prestazioni. Mentre la pompa a camera singola era in grado di raggiungere una pressione assoluta di circa 300 mbar, il nuovo sistema può funzionare a pressioni inferiori a 200 mbar assoluti. "E possiamo collegare ulteriori membrane in serie o in parallelo per adattare e migliorare ulteriormente le prestazioni, a seconda dei requisiti dell'applicazione", afferma Motzki.

Un altro passo verso l'implementazione industriale
"La nuova versione della nostra pompa rappresenta un ulteriore passo verso l'uso industriale", afferma Paul Motzki. Lui e il suo team hanno dedicato anni allo sviluppo della loro tecnologia di elastomeri dielettrici in diversi progetti di ricerca. Un elastomero dielettrico è una sottile pellicola polimerica rivestita su entrambi i lati con uno strato altamente flessibile e conduttivo. Quando i ricercatori applicano una tensione alla pellicola polimerica elastomerica, questi strati conduttivi si attraggono a vicenda, comprimendo la pellicola e causandone l'espansione laterale, aumentandone la superficie. "Variando il campo elettrico, possiamo controllare il movimento della pellicola elastomerica con grande precisione, facendola eseguire movimenti di flessione, pulsazione o flessione a frequenza e ampiezza variabili in modo continuo", spiega Motzki. In alternativa, possono far sì che la pellicola mantenga una posizione fissa senza richiedere un'alimentazione elettrica continua, poiché l'elastomero dielettrico consuma energia solo quando è in movimento attivo. I ricercatori di Saarbrücken stanno utilizzando la pellicola come azionamento meccanico: un motore in miniatura che non richiede sensori aggiuntivi.
"Queste pellicole sono autosensibili", afferma Paul Motzki. Questa autosensibilità è intrinseca agli elastomeri dielettrici: anche il minimo movimento altera la capacità elettrica misurata della pellicola. Ogni deformazione della pellicola produce una firma di misurazione caratteristica, che gli ingegneri possono utilizzare per quantificare con precisione la configurazione spaziale della pellicola in qualsiasi momento. Combinando i dati di capacità con l'apprendimento automatico basato sull'intelligenza artificiale, il team ha sviluppato un'unità di controllo in grado di prevedere e programmare sequenze di movimento e quindi di controllare con precisione come si deforma la pellicola elastomerica. Gli stessi dati possono essere utilizzati anche per il monitoraggio dello stato: indicano, ad esempio, se un oggetto estraneo sta bloccando la pompa o se non è ancora stato raggiunto un vuoto sicuro.

Oltre a sviluppare pompe per vuoto senza motore, il team di Motzki sta utilizzando questa tecnologia per una vasta gamma di altre applicazioni, da pinze robotiche e altoparlanti a tessuti intelligenti e sistemi di feedback aptico per schermi di smartphone. Ad esempio, il team ha sviluppato un guanto industriale intelligente in grado di rispondere ai movimenti della mano e delle dita dell'operatore e di comunicare queste informazioni a un computer.

Alla Fiera di Hannover, il team di ricerca è alla ricerca di partner per sviluppare applicazioni che consentano di commercializzare la propria tecnologia di pompaggio a base di fogli.

Premessa:
La tecnologia degli elastomeri dielettrici continua ad essere esplorata e sviluppata in numerosi progetti di ricerca di master e dottorato. I risultati sono stati pubblicati come articoli su diverse riviste scientifiche. La ricerca ha inoltre ricevuto il supporto di numerose fonti, tra cui l'UE e la Fondazione tedesca per la ricerca (DFG). Il governo del Land della Saarland ha fornito un sostegno finanziario attraverso i progetti FEDER iSMAT e Multi-Immerse. Ulteriori finanziamenti sono stati inoltre ricevuti da ME Saar (l'Associazione delle industrie metallurgiche ed elettriche della Saarland).
Per facilitare il trasferimento dei risultati della ricerca ai settori commerciale e industriale, i ricercatori dell'Università della Saarland hanno fondato la società mateligent GmbH, che espone anche presso lo stesso stand alla Fiera di Hannover di quest'anno.