A hybrid soft material robotic end-effector for reversible in-space assembly of strut components

Based on the NASA in-Space Assembled Telescope (iSAT) study (Bulletin of the American Astronomical Society, 2019, 51, 50) which details the design and requirements for a 20-m parabolic in-space telescope, NASA Langley Research Center (LaRC) has been developing structural and robotic solutions to address the needs of building larger in-space assets. One of the structural methods studied involves stackable and collapsible modular solutions to address launch vehicle volume constraints. This solution uses a packing method that stacks struts in a dixie-cup like manner and a chemical composite bonding technique that reduces weight of the structure, adds strength, and offers the ability to de-bond the components for structural modifications. We present in this paper work towards a soft material robot end-effector, capable of suppling the manipulability, pressure, and temperature requirements for the bonding/de-bonding of these conical structural components. This work is done to investigate the feasibility of a hybrid soft robotic end-effector actuated by Twisted and Coiled Artificial Muscles (TCAMs) for in-space assembly tasks. TCAMs are a class of actuator which have garnered significant recent research interest due to their allowance for high force to weight ratio when compared to other popular methods of actuation within the field of soft robotics, and a muscle-tendon actuation design using TCAMs leads to a compact and lightweight system with controllable and tunable behavior. In addition to the muscle-tendon design, this paper also details the early investigation of an induction system for adhesive bonding/de-bonding and the sensors used for benchtop design and testing. Additionally, we discuss the viability of Robotic Operating System 2 (ROS2) and Gazebo modeling environments for soft robotics as they pertain to larger simulation efforts at LaRC. We show real world test results against simulation results for a method which divides the soft, continuous material of the end-effector into discrete links connected by spring-like joints

Development and characterization of advanced ceramic materials

Dottorato di Ricerca in Ingegneria Civile e Industriale. Ciclo XXIXIl presente lavoro di tesi è incentrato sullo sviluppo e la caratterizzazione di materiali ceramici avanzati. In particolare, tre diversi materiali sono stati prodotti e analizzati, e i risultati ottenuti sono stati presentati in tre differenti capitoli. Il primo capitolo si focalizza sullo studio di rivestimenti ceramici nanostrutturati di zirconia parzialmente stabilizzata con yttria (YSZ), realizzati mediante un processo di Air Plasma Spray (APS). Tali rivestimenti sono stati prodotti presso il centro ricerche ENEA di Brindisi e sono stati caratterizzatti nei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università della Calabria. L’obiettivo dell’attività di ricerca svolta è stato quello di analizzare l’influenza di alcuni parametri di processo sulle proprietà microstrutturali, meccaniche e tribologiche dei suddetti rivestimenti. E’ stato dimostrato che, modificando in maniera opportuna tali parametri, è possibile controllare la percentuale di aree nanostrutturate contenute all’interno del materiale e quindi conferire al rivestimento proprietà differenti. In tal modo si possono quindi ingegnerizzare tali rivestimenti in funzione dei diversi campi di applicazione, che spaziano dalle produzione di barriere termiche a quella di rivestimenti abradibili, utilizzati per ridurre i flussi di bypass tra le pale e lo statore dei motori a turbina degli aerei. La microstruttura dei rivestimenti prodotti è stata analizzata mediante acquisizioni SEM (Scanning Electron Microscopy), mentre per la caratterizzazione meccanica e ad usura sono stati realizzati test di indentazione e test tribologici, rispettivamente. Mentre la zirconia può essere considerata un materiale ceramico avanzato ben noto, il materiale analizzato all’interno del secondo capitolo, una malta geopolimerica a base di metacaolino, è presentato come materiale ceramico avanzato per la prima volta nel presente lavoro di tesi. Tale materiale è stato interamente prodotto e caratterizzato presso i laboratori di Ingegneria Meccanica e Chimica dell’Università della Calabria. I geopolimeri sono materiali ceramici consolidati a freddo, ottenuti dall’attivazione alcalina di precursori alluminosilicati. Tali materiali, sviluppati nel 1970 come alternativa al cemento Portland, pur essendo più ecosostenibili rispetto a quest’ultimo presentano proprietà meccaniche e applicazioni simili a quelle del comune cemento. Non trovando impiego nell’ambito di applicazioni high-tech, i geopolimeri sono sempre stati annoverati tra i materiali ceramici tradizionali. La scoperta di un effetto piezoelettrico diretto all’interno di tali materiali, proposta per la prima volta nella presente trattazione, ha però il potere di trasformare i geopolimeri in materiali ceramici avanzati. Nuove ed interessanti applicazioni derivano infatti da questa scoperta, sia nell’ambito della sensoristica che in quello dell’ energy harvesting. In particolare, è stato proposto un nuovo modello chimico-fisico per la descrizione dell’effetto piezoelettrico osservato all’interno dei geopolimeri. Per la prima volta l’attività piezoelettrica è stata ricondotta ad un fenomeno di mobilità ionica anziché alla deformazione di una struttura cristallina non centro-simmetrica. Il coefficiente di carica misurato per le malte geopolimeriche prodotte varia da 4 pC/N a 40 pC/N, in base alla quantità di acqua contenuta all’interno del materiale. Oltre alla caratterizzazione piezoelettrica, sono state proposte anche una caratterizzazione piezoresistiva e meccanica. Quest’ultima in particolare, è stata condotta a diverse scale. Per la caratterizzazione alla nano e alla micro scala, sono state realizzate prove di indentazione, mentre per la caratterizzazione alla macroscale, è stata sviluppata ed ottimizzata una nuova metodologia, caratterizzata dalla combinazione della correlazione digitale delle immagini (DIC) e del Brazilian Disk Test. Il coefficiente piezoelettrico misurato per le malte geopolimeriche prodotte risulta essere sufficientemente elevato per applicazioni sensoristiche; tuttavia, alcune applicazioni, soprattutto nell’ambito dell’ energy harvesting, richiedono spesso coefficienti più elevati. Con lo scopo di incrementare le prestazioni elettro-meccaniche dei geopolimeri analizzati, si è deciso di utilizzare nanoplatelets di grafene (GNPs) come fillers all’interno delle malte prodotte. I risultati relativi alla produzione e alla caratterizzazione chimica, meccanica, ed elettromeccanica di tali nanocompositi sono stati presentati all’interno del terzo ed ultimo capitolo. Mentre l’aggiunta di GNPs sembra non aver modificato in maniera incisiva le proprietà meccaniche dei geopolimeri, sono stati misurati promettenti incrementi del gauge factor e del coefficiente piezoelettrico (pari al 20% e al 198%, rispettivamente) in seguito all’aggiunta dell’1% in peso di grafene. Ulteriori analisi sono tuttavia necessarie per la formulazione di un modello fisico in grado di chiarire il ruolo del grafene nell’ambito dell’attività elettro-meccanica dei geopolimeri. Nella seconda parte del terzo capitolo, alcuni isolanti topologici (Bi2Te3, Bi2Se3 e SnSe) sono stati proposti come nanofillers alternativi per l’incremento delle performances elettro-meccaniche dei geopolimeri. Gli isolanti topologici, noti anche come “graphene like materials”, pur essendo semiconduttori nel bulk, sono caratterizzati da un’eccellente conducibilità elettrica in superficie, paragonabile a quella del grafene. Rispetto a quest’ultimo inoltre, presentano una conducibilità priva di dissipazioni in presenza di difetti superficiali e possono essere prodotti tramite processi relativamente economici. La conoscenza delle proprietà meccaniche di tali materiali è tuttavia estremamente limitata e i pochi lavori presenti in letteratura sono quasi interamente di carattere teorico e computazionale. A tal proposito, il Bi2Te3, il Bi2Se3 e lo SnSe sono stati caratterizzati mediante prove di indentazione strumentata e simulazioni DFT (Density Functional Theory), tenendo in considerazione l’anisotropia meccanica che tali materiali presentano. I risultati ottenuti sono di fondamentale importanza per tutti gli studi futuri incentrati sulla produzione e la caratterizzazione di nanocompositi geopolimerici rinforzati con nanofillers di Bi2Te3, Bi2Se3 e SnSe. “Ingegnerizzare”, “concepire” e “migliorare” un materiale ceramico avanzato sono quindi i tre differenti approcci proposti all’interno dei tre differenti capitoli del presente lavoro di tesi.Università della Calabria

Indentation fracture toughness of single-crystal Bi2Te3 topological insulators

Bismuth telluride (BiTe) is one of the most important commercial thermoelectric materials. In recent years, the discovery of topologically protected surface states in Bi chalcogenides has paved the way for their application in nanoelectronics. Determination of the fracture toughness plays a crucial role for the potential application of topological insulators in flexible electronics and nanoelectromechanical devices. Using depth-sensing nanoindentation tests, we investigated for the first time the fracture toughness of bulk single crystals of BiTetopological insulators, grown using the Bridgman-Stockbarger method. Our results highlight one of the possible pitfalls of the technology based on topological insulators.The authors acknowledge funding from PON MaTeRiA (No. PONa3_00370). A. P. thanks Elettra Sincrotrone Trieste S.C.p.A. for economic support. E. V. C. acknowledges funding from the University of Basque Country UPV/EHU (No. IT-756-13), the Departamento de Educación del Gobierno Vasco, the Tomsk State University Academic D. I. Mendeleev Fund Program (No. 8.1.05.2015), the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness MINECO (No. FIS2013-48286-C2-1-P), Saint Petersburg State University (No. 15.61.202.2015).Peer Reviewe

Lightweight Bioinspired Exoskeleton for Wrist Rehabilitation Powered by Twisted and Coiled Artificial Muscles

Stroke, cerebral palsy, and spinal cord injuries represent the most common leading causes of upper limb impairment. In recent years, rehabilitation robotics has progressed toward developing wearable technologies to promote the portability of assistive devices and to enable home rehabilitation of the upper extremities. However, current wearable technologies mainly rely on electric motors and rigid links or soft pneumatic actuators and are usually bulky and cumbersome. To overcome the limitations of existing technologies, in this paper, a first prototype of a lightweight, ungrounded, soft exoskeleton for wrist rehabilitation powered by soft and flexible carbon fibers-based twisted and coiled artificial muscles (TCAMs) is proposed. The device, which weighs only 0.135 kg, emulates the arrangement and working mechanism of skeletal muscles in the upper extremities and is able to perform wrist flexion/extension and ulnar/radial deviation. The range of motion and the force provided by the exoskeleton is designed through simple kinematic and dynamic theoretical models, while a thermal model is used to design a thermal insulation system for TCAMs during actuation. The device’s ability to perform passive and active-resisted wrist rehabilitation exercises and EMG-based actuation is also demonstrated

Lightweight Bioinspired Exoskeleton for Wrist Rehabilitation Powered by Twisted and Coiled Artificial Muscles

Stroke, cerebral palsy, and spinal cord injuries represent the most common leading causes of upper limb impairment. In recent years, rehabilitation robotics has progressed toward developing wearable technologies to promote the portability of assistive devices and to enable home rehabilitation of the upper extremities. However, current wearable technologies mainly rely on electric motors and rigid links or soft pneumatic actuators and are usually bulky and cumbersome. To overcome the limitations of existing technologies, in this paper, a first prototype of a lightweight, ungrounded, soft exoskeleton for wrist rehabilitation powered by soft and flexible carbon fibers-based twisted and coiled artificial muscles (TCAMs) is proposed. The device, which weighs only 0.135 kg, emulates the arrangement and working mechanism of skeletal muscles in the upper extremities and is able to perform wrist flexion/extension and ulnar/radial deviation. The range of motion and the force provided by the exoskeleton is designed through simple kinematic and dynamic theoretical models, while a thermal model is used to design a thermal insulation system for TCAMs during actuation. The device’s ability to perform passive and active-resisted wrist rehabilitation exercises and EMG-based actuation is also demonstrated

Indentation fracture toughness of single-crystal Bi2Te3 topological insulators

Bismuth telluride (Bi2Te3) is one of the most important commercial thermoelectric materials. In recent years, the discovery of topologically protected surface states in Bi chalcogenides has paved the way for their application in nanoelectronics. Determination of the fracture toughness plays a crucial role for the potential application of topological insulators in flexible electronics and nanoelectromechanical devices. Using depth-sensing nanoindentation tests, we investigated for the first time the fracture toughness of bulk single crystals of Bi2Te3 topological insulators, grown using the Bridgman-Stockbarger method. Our results highlight one of the possible pitfalls of the technology based on topological insulators

Indentation fracture toughness of single-crystal Bi2Te3 topological insulators

Bismuth telluride (Bi2Te3) is one of the most important commercial thermoelectric materials. In recent years, the discovery of topologically protected surface states in Bi chalcogenides has paved the way for their application in nanoelectronics. Determination of the fracture toughness plays a crucial role for the potential application of topological insulators in flexible electronics and nanoelectromechanical devices. Using depth-sensing nanoindentation tests, we investigated for the first time the fracture toughness of bulk single crystals of Bi2Te3 topological insulators, grown using the Bridgman-Stockbarger method. Our results highlight one of the possible pitfalls of the technology based on topological insulators

Mechanical properties of Bi2Te3 topological insulator investigated by density functional theory and nanoindentation

The elastic constants Cij of bulk Bi2Te3 were calculated by density functional theory by different approximations. Computational results were validated by means of nanoindentation tests, performed along the directions parallel and perpendicular to the cleavage plane of Bi2Te3. The indentation modulus was estimated and compared with the experimental one. The generalized gradient Perdew-Burke-Ernzerhof approximation better reproduces experimental results in the direction perpendicular to the cleavage plane, whereas the occurrence of the nanobuckling in the direction parallel to the cleavage plane causes discrepancies between theoretical and experimental findings.Authors acknowledge MaTeRiA project (Grant No. PONa3_00370) for providing equipment to perform nanoindentation experiments. EVC acknowledge funding from the University of Basque Country UPV/EHU (GIC07-IT-756-13), the Departamento de Educación del Gobierno Vasco and the Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación (FIS2010-275 19609-C02-01), the Tomsk State University Academic D.I. Mendeleev Fund Program (Grant No. 8.1.05.2015), the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness MINECO (Grant No. FIS2013-48286-C2-1-P), and Saint Petersburg State University (Project No. 11.50.202.2015).Peer reviewe